Виробництво чіпів є найскладнішим процесом у сучасному світі. Це складний процес, який завершили багато провідних компаній. Ця стаття намагається узагальнити цей процес і дати вичерпний і загальний опис цього складного процесу.
Існує багато процесів виробництва напівпровідників, і кажуть, що вони складаються з сотень і навіть тисяч кроків. Це не перебільшення. Фабрика з мільярдними інвестиціями може виконати лише невелику частину процесу. Для такого складного процесу цю статтю буде розділено на п’ять основних категорій для пояснення: виготовлення пластин, фотолітографія та травлення, іонна імплантація, осадження тонких плівок, а також пакування та тестування.
1. Процес виробництва напівпровідників - виготовлення пластин
Виробництво вафель можна розділити на такі 5 основних процесів:
(1) Витягування кристала
◈ Легований полікремній плавиться при 1400 градусах
◈ Ввести інертний газ аргон високої чистоти
◈ Помістіть «затравку» монокристалічного кремнію в розплав і повільно обертайте її, коли «витягнете».
◈ Діаметр монокристалічного злитка визначається температурою та швидкістю екстракції
(2) Для нарізання пластин використовується прецизійна «пила» для розрізання зливка кремнію на окремі пластини.
(3) Притирка пластин, травлення
◈ Нарізані вафлі механічно подрібнюються за допомогою роторної шліфувальної машини та суспензії оксиду алюмінію, щоб зробити поверхню вафель плоскою та паралельною та зменшити механічні дефекти.
◈ Потім пластини протравлюють у розчині азотованої кислоти/оцтової кислоти для видалення мікроскопічних тріщин або пошкоджень поверхні, після чого проводять серію водяних ванн високої чистоти RO/DI.
(4) Полірування та очищення пластин
◈ Далі пластини поліруються за допомогою серії процесів хімічного та механічного полірування, які називаються CMP (Chemical Mechanical Polish). ◈ Процес полірування зазвичай включає два-три етапи полірування з використанням дедалі дрібніших суспензій і проміжне очищення за допомогою RO/DI води. ◈ Остаточне очищення виконується за допомогою розчину SC1 (аміак, перекис водню та RO/DI вода) для видалення органічних домішок і часток. Потім HF використовується для видалення природних оксидів і металевих домішок, і, нарешті, розчин SC2 дозволяє виростати на поверхні ультрачисті нові рідні оксиди. (5) Епітаксіальна обробка пластин
◈ Епітаксійне зростання (EPI) використовується для вирощування шару монокристалічного кремнію з пари на монокристалічній кремнієвій підкладці за високих температур.
◈ Процес вирощування шару монокристалічного кремнію з парової фази називається газофазною епітаксією (VPE).
SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl
SiCl4 (чотирихлористий кремній)
Реакція є оборотною, тобто якщо додати HCl, кремній буде витравлено з поверхні пластини.
Інша реакція генерації Si є необоротною: SiH4 → Si + 2H2 (силан)
◈ Метою вирощування EPI є формування шарів з різною (зазвичай нижчою) концентрацією електрично активних легуючих домішок на підкладці. Наприклад, шар N-типу на пластині P-типу.
◈ Близько 3% від товщини пластини.
◈ Відсутність забруднення наступних транзисторних структур.
2. Процес виробництва напівпровідників – фотолітографія Фотолітографічна машина, про яку багато згадувалося останніми роками, є лише одним із багатьох технологічних пристроїв. Навіть фотолітографія має багато етапів процесу та обладнання.
(1) Фоторезистне покриття
Фоторезист — світлочутливий матеріал. У пластину додається невелика кількість фоторезисту. Пластина обертається зі швидкістю від 1000 до 5000 обертів за хвилину, розподіляючи фоторезист у однорідне покриття товщиною від 2 до 200 мкм. Існує два види фоторезистів: негативний і позитивний. Позитивно: вплив світла може зруйнувати складну молекулярну структуру, полегшуючи її розчинення. Негативний: вплив робить молекулярну структуру більш складною та її важче розчинити. Етапи, які беруть участь у кожному етапі фотолітографії, такі: ◈ Очистіть пластину ◈ Нанесіть бар’єрний шар SiO2, Si3N4, метал ◈ Нанесіть фоторезист ◈ М’яке випікання ◈ Вирівняйте маску ◈ Графічна експозиція ◈ Прояв ◈ Випікайте ◈ Травлення ◈ Видаліть фоторезист (2) Підготовка шаблону Підготовка шаблону Дизайнери ІС використовують програмне забезпечення CAD для розробки шаблону кожного шару. Потім малюнок переноситься на оптично прозору кварцову підкладку (шаблон) разом із візерунком за допомогою лазерного генератора візерунків або електронного променя.
(3) Перенесення візерунка (експонування) Тут використовується фотолітографічна машина для проектування та копіювання візерунка з шаблону на шар мікросхеми.
(4) Проявлення та випікання ◈ Після експонування пластина проявляється в кислотному або лужному розчині для видалення відкритих ділянок фоторезисту. ◈ Після видалення оголеного фоторезиста пластина «випікається» при низькій температурі, щоб затвердіти залишився фоторезист.
3. Процеси виробництва напівпровідників – травлення та іонна імплантація (1) Мокре та сухе травлення ◈ Хімічне травлення виконується на великій вологій платформі. ◈ Для видалення окремих ділянок різних матеріалів використовуються різні типи кислотних, лужних і їдких розчинів. ◈ BOE, або буферний оксидний травитель, виготовляється з фтористоводневої кислоти, буферизованої фторидом амонію, і використовується для видалення діоксиду кремнію без травлення нижнього шару кремнію або полікремнію. ◈ Фосфорна кислота використовується для травлення шарів нітриду кремнію. ◈ Азотна кислота використовується для травлення металів. ◈ Фоторезист видаляється сірчаною кислотою. ◈ Для сухого травлення пластину поміщають у травильну камеру та травлять плазмою. ◈ Безпека персоналу є першочерговою проблемою. ◈ Багато фабрик використовують автоматизоване обладнання для виконання процесу травлення. (2) Опір роздяганню
Потім фоторезист повністю знімається з пластини, залишаючи на пластині оксидний малюнок.
(3) Іонна імплантація
◈ Іонна імплантація змінює електричні властивості точних ділянок у межах існуючих шарів на пластині.
◈ Іонні імплантатори використовують сильнострумові прискорювальні трубки, керуючі та фокусуючі магніти для бомбардування поверхні пластини іонами певних легуючих домішок.
◈ Оксид діє як бар’єр, тоді як легуючі хімічні речовини осідають на поверхні та дифундують у поверхню.
◈ Кремнієва поверхня нагрівається до 900 градусів для відпалу, а імплантовані легуючі іони дифундують далі в кремнієву пластину.
4. Процес виробництва напівпровідників - осадження тонкої плівки
Існує багато способів і змісту осадження тонкої плівки, які пояснюються один за одним нижче: (1) Оксид кремнію
Коли кремній існує в кисні, SiO2 зростатиме термічно. Кисень утворюється з кисню або водяної пари. Температура навколишнього середовища повинна бути 900 ~ 1200 градусів. Хімічна реакція, яка відбувається, є
Si + O2 → SiO2
Si +2H2O ->SiO2 + 2H2
Поверхня кремнієвої пластини після селективного окислення показана на малюнку нижче:
І кисень, і вода дифундують через наявний SiO2 і поєднуються з Si, утворюючи додатковий SiO2. Вода (пара) дифундує легше, ніж кисень, тому пара росте набагато швидше.
Оксид використовується для створення ізоляційного та пасивуючого шару для формування затвора транзистора. Для формування затвора і тонкого оксидного шару використовується сухий кисень. Пар використовується для утворення товстого шару оксиду. Ізоляційний оксидний шар зазвичай становить близько 1500 нм, а затворний шар зазвичай становить від 200 нм до 500 нм.
(2) Хімічне осадження з парової фази
Хімічне осадження з парової фази (CVD) утворює тонку плівку на поверхні підкладки шляхом термічного розкладання та/або реакції газоподібних сполук.
Існує три основних типи CVD реакторів: ◈ Атмосферне хімічне осадження з парів
◈ CVD низького тиску (LPCVD)
◈ CVD з плазмовим посиленням (PECVD)
Схематична діаграма процесу CVD низького тиску показана нижче.
Основні реакційні процеси ССЗ наступні
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->Si + 2h2 (600 градусів)
Швидкість осадження 100 - 200 нм/хв
Можна додати фосфор (фосфін), бор (диборан) або миш’як. Полікремній також можна легувати дифузійним газом після осадження.
ii). Діоксид кремнію Діоксид
SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 ступінь )
SiO2 використовується як ізолятор або пасивуючий шар. Фосфор зазвичай додають для кращого потоку електронів.
iii). Нітрид кремнію Siicon Nitride
3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2
(Силан) (Аміак) (Нітрид)
(3) Розпилення
Мішень бомбардується високоенергетичними іонами, такими як Ar+, і атоми мішені будуть переміщуватися та транспортуватися до підкладки.
Як мішені можна використовувати такі метали, як алюміній і титан. (4) Випаровування
Al або Au (золото) нагрівають до точки випаровування, і пара конденсується та утворює тонку плівку, що покриває поверхню пластини.
У наступному прикладі детально пояснюється, як поетапно формується схема на кремнієвій пластині від фотолітографії, травлення до іонного осадження:
5. Процес виробництва напівпровідників - випробування упаковки (після обробки)
(1) Випробування пластини Після завершення остаточної підготовки схеми тестові пристрої на пластині перевіряються за допомогою автоматизованого методу тестування зонда для видалення дефектних продуктів.
(2) Нарізка пластин. Після випробування зондом пластину розрізають на окремі шматочки.
(3) Електропроводка та упаковка ◈ Окремі мікросхеми під’єднані до каркасу свинцю, а алюмінієві або золоті проводи з’єднані термічним стисненням або ультразвуковим зварюванням. ◈ Упаковка завершується запаюванням пристрою в керамічний або пластиковий пакет. ◈ Більшість чіпів все ще потребують остаточного функціонального тестування, перш ніж вони будуть відправлені подальшим користувачам.
