Produkcja chipów jest obecnie najbardziej złożonym procesem na świecie. Jest to złożony proces realizowany przez wiele czołowych firm. Niniejszy artykuł ma na celu podsumowanie tego procesu i przedstawienie kompleksowego i ogólnego opisu tego złożonego procesu.
Istnieje wiele procesów produkcji półprzewodników i mówi się, że są to setki, a nawet tysiące etapów. Nie jest to przesada. Fabryka z inwestycją rzędu miliarda dolarów może wykonać tylko niewielką część procesu. W przypadku tak złożonego procesu artykuł ten zostanie podzielony na pięć głównych kategorii w celu wyjaśnienia: produkcja płytek, fotolitografia i trawienie, implantacja jonów, osadzanie cienkich warstw oraz pakowanie i testowanie.
1. Proces produkcji półprzewodników - produkcja płytek
Proces produkcji płytek można podzielić na 5 głównych etapów:
(1) Wyciąganie kryształów
◈ Domieszkowany polisilikon jest topiony w temperaturze 1400 stopni
◈ Wstrzykiwanie obojętnego gazu argonowego o wysokiej czystości
◈ Umieść monokrystaliczny krzemowy „zarodek” w stopie i powoli obracaj nim po „wyciągnięciu”.
◈ Średnica monokrystalicznego wlewka jest określana przez temperaturę i prędkość ekstrakcji
(2) Cięcie wafli polega na użyciu precyzyjnej „piły” do cięcia sztabek krzemu na pojedyncze wafle.
(3) Docieranie, trawienie płytek
◈ Pokrojone wafle są mielone mechanicznie przy użyciu młynka obrotowego i zawiesiny tlenku glinu, co zapewnia płaską i równoległą powierzchnię wafli oraz redukuje uszkodzenia mechaniczne.
◈ Następnie płytki są trawione w roztworze kwasu azotowanego/kwasu octowego w celu usunięcia mikroskopijnych pęknięć lub uszkodzeń powierzchni, a następnie poddawane serii kąpieli w wodzie o wysokiej czystości odwróconej osmozy (RO/DI).
(4) Polerowanie i czyszczenie płytek
◈ Następnie wafle są polerowane w serii chemicznych i mechanicznych procesów polerowania zwanych CMP (Chemical Mechanical Polish). ◈ Proces polerowania zazwyczaj obejmuje dwa do trzech etapów polerowania przy użyciu coraz drobniejszych szlamów i pośredniego czyszczenia przy użyciu wody RO/DI. ◈ Końcowe czyszczenie jest wykonywane przy użyciu roztworu SC1 (amoniak, nadtlenek wodoru i woda RO/DI) w celu usunięcia zanieczyszczeń organicznych i cząstek. Następnie HF jest używany do usuwania rodzimych tlenków i zanieczyszczeń metalicznych, a na koniec roztwór SC2 pozwala na wzrost na powierzchni ultraczystych nowych rodzimych tlenków. (5) Epitaksjalna obróbka wafli
◈ Wzrost epitaksjalny (EPI) polega na wytworzeniu warstwy monokrystalicznego krzemu z pary na monokrystalicznym podłożu krzemowym w wysokich temperaturach.
◈ Proces wytwarzania monokrystalicznej warstwy krzemu z fazy gazowej nazywa się epitaksją z fazy gazowej (VPE).
SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl
SiCl4 (czterochlorek krzemu)
Reakcja jest odwracalna, tzn. jeśli dodamy HCl, krzem zostanie wytrawiony z powierzchni płytki.
Inna reakcja prowadząca do powstania Si jest nieodwracalna: SiH4 → Si + 2H2 (silan)
◈ Celem wzrostu EPI jest tworzenie warstw o różnych (zwykle niższych) stężeniach domieszek elektrycznie aktywnych na podłożu. Na przykład warstwa typu N na waflu typu P.
◈ Około 3% grubości wafla.
◈ Brak zanieczyszczeń w późniejszych strukturach tranzystorów.
2. Proces produkcji półprzewodników - Fotolitografia Maszyna do fotolitografii, o której w ostatnich latach wiele się mówi, jest tylko jednym z wielu urządzeń procesowych. Nawet fotolitografia ma wiele etapów procesu i urządzeń.
(1) Powłoka fotorezystu
Fotorezyst jest materiałem światłoczułym. Do wafla dodaje się niewielką ilość cieczy fotorezystu. Wafel obraca się z prędkością od 1000 do 5000 obr./min, rozprowadzając fotorezyst w jednolitą powłokę o grubości od 2 do 200 um. Istnieją dwa rodzaje fotorezystu: negatywny i pozytywowy. Pozytywny: ekspozycja na światło może rozbić złożoną strukturę molekularną, ułatwiając jej rozpuszczenie. Negatywny: ekspozycja sprawia, że struktura molekularna staje się bardziej złożona i trudniejsza do rozpuszczenia. Kroki każdego etapu fotolitografii są następujące: ◈ Oczyść wafel ◈ Osadź warstwę barierową SiO2, Si3N4, metal ◈ Nałóż fotorezyst ◈ Miękkie wypieki ◈ Wyrównaj maskę ◈ Ekspozycja graficzna ◈ Wywoływanie ◈ Wypieki ◈ Wytrawianie ◈ Usuwanie fotorezystu (2) Przygotowanie wzoru Przygotowanie wzoru Projektanci układów scalonych używają oprogramowania CAD do projektowania wzoru każdej warstwy. Następnie wzór jest przenoszony na optycznie przezroczyste podłoże kwarcowe (szablon), a wzór nanoszony jest za pomocą generatora wzoru laserowego lub wiązki elektronów.
(3) Przenoszenie wzoru (naświetlanie) W tym przypadku maszyna fotolitograficzna jest używana do projekcji i kopiowania wzoru z szablonu na warstwę chipa.
(4) Wywoływanie i wypiekanie ◈ Po naświetleniu wafel jest wywoływany w roztworze kwasowym lub zasadowym w celu usunięcia odsłoniętych obszarów fotorezystu. ◈ Po usunięciu odsłoniętego fotorezystu wafel jest „wypiekany” w niskiej temperaturze w celu utwardzenia pozostałego fotorezystu.
3. Procesy produkcji półprzewodników — trawienie i implantacja jonów (1) Trawienie na mokro i na sucho ◈ Trawienie chemiczne przeprowadza się na dużej mokrej platformie. ◈ Do usuwania wybranych obszarów różnych materiałów stosuje się różne rodzaje roztworów kwasu, zasady i ługu. ◈ BOE, czyli buforowany środek trawiący tlenkiem, wytwarza się z kwasu fluorowodorowego buforowanego fluorkiem amonu i stosuje się go do usuwania dwutlenku krzemu bez trawienia znajdującej się pod spodem warstwy krzemu lub polikrzemu. ◈ Kwas fosforowy stosuje się do trawienia warstw azotku krzemu. ◈ Kwas azotowy stosuje się do trawienia metali. ◈ Fotorezyst usuwa się kwasem siarkowym. ◈ W przypadku trawienia na sucho wafel umieszcza się w komorze trawiącej i trawi plazmą. ◈ Bezpieczeństwo personelu jest kwestią priorytetową. ◈ Wiele fabryk wykorzystuje zautomatyzowany sprzęt do przeprowadzania procesu trawienia. (2) Usuwanie oporności
Następnie z płytki usuwa się całkowicie fotorezyst, pozostawiając na niej wzór tlenku.
(3) Implantacja jonów
◈ Implantacja jonów zmienia właściwości elektryczne precyzyjnych obszarów w istniejących warstwach na waflu.
◈ Implantatory jonowe wykorzystują lampy akceleracyjne o dużym natężeniu prądu oraz magnesy sterujące i skupiające, aby bombardować powierzchnię płytki jonami określonych domieszek.
◈ Tlenek działa jak bariera, podczas gdy substancje chemiczne domieszkujące osadzają się na powierzchni i dyfundują w jej głąb.
◈ Powierzchnia krzemu jest podgrzewana do temperatury 900 stopni w celu wyżarzania, a implantowane jony domieszki dyfundują głębiej w płytkę krzemową.
4. Proces produkcji półprzewodników - osadzanie cienkich warstw
Istnieje wiele sposobów i składników osadzania cienkich warstw, które są wyjaśnione po kolei poniżej: (1) Tlenek krzemu
Gdy krzem występuje w tlenie, SiO2 będzie się rozrastał termicznie. Tlen pochodzi z tlenu lub pary wodnej. Temperatura otoczenia musi wynosić 900 ~ 1200 stopni. Reakcja chemiczna, która zachodzi, to
Si + O2 → SiO2
Si +2H2O ->SiO2 + 2H2
Powierzchnię płytki krzemowej po selektywnym utlenianiu pokazano na poniższym rysunku:
Zarówno tlen, jak i woda dyfundują przez istniejący SiO2 i łączą się z Si, tworząc dodatkowy SiO2. Woda (para) dyfunduje łatwiej niż tlen, więc para rośnie znacznie szybciej.
Tlenek jest używany do zapewnienia warstwy izolacyjnej i pasywacyjnej w celu utworzenia bramki tranzystora. Suchy tlen jest używany do utworzenia bramki i cienkiej warstwy tlenku. Para jest używana do utworzenia grubej warstwy tlenku. Izolująca warstwa tlenku ma zwykle około 1500 nm, a warstwa bramki ma zwykle od 200 nm do 500 nm.
(2) Osadzanie chemiczne z fazy gazowej
Osadzanie chemiczne z fazy gazowej (CVD) polega na tworzeniu cienkiej warstwy na powierzchni podłoża poprzez rozkład termiczny i/lub reakcję związków gazowych.
Istnieją trzy podstawowe typy reaktorów CVD: ◈ Osadzanie chemiczne z fazy gazowej w atmosferze
◈ CVD niskiego ciśnienia (LPCVD)
◈ CVD wspomagane plazmą (PECVD)
Poniżej przedstawiono schematyczny diagram procesu CVD niskociśnieniowego.
Główne procesy reakcji CVD są następujące
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->Si + 2h2 (600 stopni)
Szybkość osadzania 100 - 200 nm /min
Można dodać fosfor (fosfinę), bor (diboran) lub gaz arsenowy. Polisilikon można również domieszkować gazem dyfuzyjnym po osadzeniu.
ii). Dwutlenek krzemu Dwutlenek
SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 stopień )
SiO2 jest stosowany jako izolator lub warstwa pasywacyjna. Fosfor jest zwykle dodawany w celu uzyskania lepszych parametrów przepływu elektronów.
iii). Azotek krzemu Azotek krzemu
3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2
(Silan) (Amoniak) (Azotek)
(3) Rozpylanie
Do celu bombarduje się jonami o wysokiej energii, takimi jak Ar+, co powoduje przesunięcie atomów w celu i ich transport do podłoża.
Jako cele można stosować metale takie jak aluminium i tytan. (4) Parowanie
Al lub Au (złoto) podgrzewa się do punktu parowania, a para skrapla się i tworzy cienką warstwę pokrywającą powierzchnię wafla.
Poniższy przykład wyjaśnia szczegółowo, jak krok po kroku powstaje obwód na płytce krzemowej – od fotolitografii, przez trawienie, po osadzanie jonowe:
5. Proces produkcji półprzewodników - test pakowania (post-processing)
(1) Test płytki Po zakończeniu końcowego przygotowania obwodu, urządzenia testowe na płytce są testowane przy użyciu zautomatyzowanej metody testowania sondą w celu usunięcia wadliwych produktów.
(2) Cięcie wafli Po przeprowadzeniu testu sondą wafel jest cięty na pojedyncze chipy.
(3) Okablowanie i opakowanie ◈ Poszczególne układy scalone są podłączone do ramki wyprowadzeń, a aluminiowe lub złote przewody są łączone poprzez kompresję termiczną lub spawanie ultradźwiękowe. ◈ Pakowanie jest wykonywane poprzez uszczelnienie urządzenia w obudowie ceramicznej lub plastikowej. ◈ Większość układów scalonych musi przejść ostateczne testy funkcjonalne przed wysłaniem ich do dalszych użytkowników.
