Виробництво напівпровідникових компонентів включає низку складних виробничих процесів для перетворення вихідних матеріалів у готові компоненти для різних застосувань, які забезпечують критичні функції контролю та вимірювання.
Виробництво напівпровідників включає серію складних процесів для перетворення сировини в кінцеві готові компоненти. Процес виробництва напівпровідників зазвичай включає чотири основні етапи: виготовлення пластини, випробувальна збірка або упаковка пластини та остаточне випробування. Кожен етап має свої унікальні виклики та можливості.
Процес виробництва напівпровідників також стикається з багатьма проблемами, включаючи вартість, складність, різноманітність і продуктивність, але також відкриває великі можливості для інновацій і розвитку. Долаючи труднощі та використовуючи можливості, ми можемо сприяти розвитку нових технологій, щоб змінити спосіб нашого життя та роботи, водночас дозволяючи галузі продовжувати розвиватися та рости.
一. Огляд процесу виробництва напівпровідників
Процес виробництва напівпровідників можна розділити на наступні ключові етапи.
1. Приготування вафель
Вихідним матеріалом для напівпровідникового процесу вибирають кремнієві пластини. Пластини очищають, полірують і готують до використання в якості підкладок для виробництва електронних компонентів.
2. Візерунок
У цьому процесі візерунки створюються на кремнієвих пластинах за допомогою процесу, який називається фотолітографією. На поверхню пластини наноситься шар корозійностійкого фоторезисту, а потім поверх пластини розміщується маска. Маска має візерунок, що відповідає відповідним попередньо виготовленим електронним компонентам. Потім візерунок переноситься з маски на шар фоторезисту за допомогою ультрафіолетового світла. Відкриті ділянки фоторезисту потім видаляють, залишаючи поверхню з малюнком на пластині.
3. Легування матеріалу
На цьому етапі до кремнієвої пластини додають матеріали, щоб змінити її електричні властивості. Найбільш часто використовуваними матеріалами є бор або фосфор, які можна додавати в невеликих кількостях для виробництва напівпровідників p-типу або n-типу відповідно. Ці матеріали імплантуються на поверхню пластини за допомогою прискорення іонів у процесі, який називається іонною імплантацією.
4. Обробка осадження пластин
Під час цього процесу тонкоплівкові матеріали наносяться на пластину для створення електронних компонентів. Цього можна досягти за допомогою різних методів, включаючи хімічне осадження з парової фази (CVD), фізичне осадження з парової фази (PVD) і атомно-шарове осадження (ALD). Ці процеси можна використовувати для осадження таких матеріалів, як метали, оксиди та нітриди.
5. Офорт
Видалення частини матеріалу з поверхні пластини для отримання форми та структури, необхідних для електронного компонента. Травлення можна виконувати різними техніками, включаючи вологе травлення, сухе травлення та плазмове травлення. Ці процеси використовують хімічні речовини або плазму для вибіркового видалення певних матеріалів із пластини.
6. Упаковка
Електронні компоненти упаковуються в кінцевий продукт, який можна використовувати в електронних пристроях. Це включає в себе з’єднання компонентів із підкладкою, такою як друкована плата, а потім з’єднання їх з іншими компонентами за допомогою дротів або інших засобів. Напівпровідникові процеси дуже складні й включають різноманітне спеціалізоване обладнання та матеріали. Ці процеси є важливими для виробництва сучасних електронних пристроїв і продовжують розвиватися з ітерацією нових технологій.
Як правило, процес виробництва напівпровідникових мікросхем займає від кількох тижнів до кількох місяців. Починаючи з першого етапу, необхідно виготовити кремнієву пластину, яка буде служити підкладкою для чіпа. Цей процес зазвичай включає наступні процеси: очищення, осадження, літографію, травлення та легування. Пластина може пройти сотні різних технологічних операцій, тому весь процес виготовлення пластини може тривати до 16-18 тижнів.
Після виготовлення окремих мікросхем на пластині їх потрібно розділити та упакувати в окремі блоки. Це також включає тестування кожного чіпа, щоб переконатися, що він відповідає специфікаціям, а потім відокремлення його від пластини та встановлення на упаковці або підкладці. Після того, як мікросхеми будуть упаковані, вони пройдуть ретельний процес тестування, щоб переконатися, що вони відповідають стандартам якості та виконують очікувані функції. Це включає запуск електронних тестів, функціональних тестів та інших типів перевірочних тестів для виявлення будь-яких дефектів або проблем. Це також залежить від складності мікросхеми та необхідних вимог до тестування, тому процес упакування та тестування може тривати 8-10 тижнів.
Загалом, весь процес виробництва напівпровідникових чіпів може тривати кілька тижнів або місяців, оскільки це залежить від відповідних технологій, що використовуються, і складності конструкції чіпа.
2. Тенденції та виклики у виробництві напівпровідників
1. Передача шаблону
Досягнення в технології передачі шаблонів стали ключовим фактором швидкого розвитку напівпровідникової промисловості, дозволяючи виготовляти менші та складніші електронні компоненти.
Основним прогресом у технології перенесення візерунків є розробка вдосконаленої літографії, яка є процесом перенесення візерунків на носій за допомогою світла чи інших джерел випромінювання. Зокрема, технології літографії, розроблені в останні роки, такі як ультрафіолетова (EUV) літографія та технологія створення множинних візерунків, використовуються для створення меншої та складнішої графіки.
EUV-літографія використовує дуже короткохвильові пучки світла для створення надзвичайно точних візерунків на кремнієвих пластинах. Ця технологія може створювати розміри всього лише кілька нанометрів, що важливо для виробництва сучасних електронних компонентів, таких як мікропроцесори.
Багаторазове нанесення візерунків — це ще одна технологія літографії, яка може створювати менші візерунки. Ця технологія передбачає розбиття одного візерунка на кілька мікрополярних візерунків і подальше перенесення їх на поверхню пластини. У результаті створений малюнок може бути меншим за довжину хвилі випромінювання, яке використовується в літографії.
2. Допінг
Добавки — це додавання спеціальних середовищ до кремнієвих пластин для зміни їхніх електричних властивостей. Досягнення в технології легування стали ключовим фактором швидкого розвитку напівпровідникової промисловості. Цей технологічний прогрес зумовлений появою нових діелектричних матеріалів.
Традиційно бор і фосфор є найбільш часто використовуваними легуючими матеріалами, оскільки вони можуть виробляти напівпровідники p-типу та n-типу відповідно. Однак в останні роки були розроблені нові матеріали, такі як германій, миш'як і сурма, які можуть використовуватися для виготовлення більш складних електронних компонентів.
Ще одним досягненням у технології легування є вдосконалення більш точних процесів легування. У минулому іонна імплантація була основною технологією легування, яка передбачала використання високошвидкісних іонів для імплантації діелектриків на поверхню пластини. Незважаючи на те, що іонна імплантація все ще широко використовується, нові технології, такі як молекулярно-променева епітаксія (MBE) і хімічне осадження з парової фази (CVD), були розроблені для більш точного контролю процесу легування.
3. Осадження
Осадження — ще один ключовий процес у виробництві напівпровідників, який передбачає нанесення тонкої плівки матеріалу на підкладку. Цей процес може бути досягнутий за допомогою різних технологій, таких як фізичне осадження з парової фази (PVD), хімічне осадження з парової фази (CVD), атомно-шарове осадження (ALD) тощо.
У той же час нові технології також постійно розвиваються, включаючи металоорганічне хімічне осадження з парової фази (MOCVD), плазмове осадження, рулонне осадження тощо.
4. Офорт
Травлення передбачає видалення окремих частин напівпровідникових матеріалів для створення візерунків або структур. Прогрес у технології травлення є основною причиною швидкого розвитку напівпровідникової промисловості, а також є ключовою технологією для виробництва менших і складніших електронних компонентів.
У минулому вологе травлення було основною широко використовуваною технологією, яка передбачає занурення пластини в розчин, який розчиняє матеріал. Однак вологе травлення не є точним і може спричинити пошкодження суміжних структур.
Поява технології сухого травлення уможливила більш точне й контрольоване виробництво травлення, наприклад реактивне іонне травлення (RIE) і плазмове травлення. RIE — це технологія, яка використовує реактивні іони для вибіркового видалення матеріалу з пластини, що дозволяє точно контролювати процес травлення.
Плазмове травлення — це подібна технологія, яка використовує газову плазму для видалення матеріалу, але має додаткову перевагу вибіркового видалення певних матеріалів, таких як метали або кремній.
5. Упаковка
Процес упаковки у виробництві напівпровідників передбачає інкапсуляцію інтегральної схеми в захисний корпус, який також забезпечує електричні з’єднання із зовнішнім світом. Процес пакування впливає на продуктивність, надійність і вартість кінцевого продукту.
3D-упаковка передбачає складання кількох мікросхем разом для створення інтегральних схем високої щільності. Ця технологія може зменшити загальний розмір пристрою та покращити його продуктивність, а також зменшити споживання енергії.
Розгорнута упаковка — це технологія, яка вбудовує інтегральні схеми в шар епоксидної формувальної суміші з використанням мідних стовпів, що розходяться віялом від мікросхеми для електричних з’єднань. Ця технологія дозволяє пакувати високу щільність у менший розмір.
System-in-Package (SiP) — це ще одна технологія, яка об’єднує кілька мікросхем, датчиків та інших компонентів в єдиний пакет. Це може зменшити загальний розмір пристрою, а також покращити його загальну продуктивність.
