Fabricarea așchiilor este cel mai complex proces din lume în prezent. Acesta este un proces complex finalizat de multe companii de top. Acest articol se străduiește să rezumă acest proces și să ofere o descriere cuprinzătoare și generală a acestui proces complex.
Există multe procese de fabricație a semiconductorilor și se spune că sunt sute sau chiar mii de pași. Aceasta nu este o exagerare. O fabrică cu o investiție de un miliard de dolari poate face doar o mică parte a procesului. Pentru un astfel de proces complex, acest articol va fi împărțit în cinci categorii majore pentru explicații: fabricarea plachetelor, fotolitografie și gravare, implantare ionică, depunere de film subțire și ambalare și testare.
1. Procesul de fabricare a semiconductorilor - fabricarea napolitanelor
Fabricarea napolitanelor poate fi împărțită în următoarele 5 procese principale:
(1) Tragere de cristal
◈ Polisiliciul dopat este topit la 1400 de grade
◈ Injectați gaz inert argon de înaltă puritate
◈ Puneți „sămânța” de siliciu monocristal în topitură și rotiți-o încet când este „tras”.
◈ Diametrul lingoului monocristal este determinat de temperatura și viteza de extracție
(2) Tăierea plachetelor folosește un „fierăstrău” de precizie pentru a tăia lingoul de siliciu în plachete individuale.
(3) Leparea napolitanelor, gravare
◈ Napolitanele feliate sunt măcinate mecanic folosind o râșniță rotativă și suspensie de alumină pentru a face suprafața plachetei plană și paralelă și pentru a reduce defectele mecanice.
◈ Napolitanele sunt apoi gravate într-o soluție de acid nitrurat/acid acetic pentru a îndepărta fisurile microscopice sau deteriorarea suprafeței, urmate de o serie de băi de apă RO/DI de înaltă puritate.
(4) Lustruirea și curățarea napolitanelor
◈ În continuare, napolitanele sunt lustruite printr-o serie de procese de lustruire chimică și mecanică numite CMP (Chemical Mechanical Polish). ◈ Procesul de lustruire include de obicei două până la trei etape de lustruire folosind șlamuri din ce în ce mai fine și curățare intermediară cu apă RO/DI. ◈ O curățare finală este efectuată folosind soluție SC1 (amoniac, peroxid de hidrogen și apă RO/DI) pentru a îndepărta impuritățile și particulele organice. Apoi, HF este folosit pentru a îndepărta oxizii nativi și impuritățile metalice, iar în cele din urmă soluția SC2 permite oxizilor nativi noi ultra-curați să crească la suprafață. (5) Prelucrare epitaxială a plachetelor
◈ Creșterea epitaxială (EPI) este utilizată pentru a crește un strat de siliciu monocristalin din vapori pe un substrat de siliciu monocristalin la temperaturi ridicate.
◈ Procesul de creștere a unui strat de siliciu monocristalin din faza de vapori se numește epitaxie în fază de vapori (VPE).
SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl
SiCl4 (tetraclorura de siliciu)
Reacția este reversibilă, adică dacă se adaugă HCI, siliciul va fi gravat de pe suprafața plachetei.
O altă reacție de a genera Si este ireversibilă: SiH4 → Si + 2H2 (silan)
◈ Scopul creșterii EPI este de a forma straturi cu concentrații diferite (de obicei mai mici) de dopanți activi electric pe substrat. De exemplu, un strat de tip N pe o placă de tip P.
◈ Aproximativ 3% din grosimea plachetei.
◈ Fără contaminare a structurilor ulterioare ale tranzistorului.
2. Procesul de fabricare a semiconductorilor - Fotolitografie Mașina de fotolitografie, despre care a fost menționată mult în ultimii ani, este doar unul dintre multele echipamente de proces. Chiar și fotolitografia are multe etape de proces și echipamente.
(1) Acoperire fotorezistentă
Fotorezistul este un material fotosensibil. O cantitate mică de lichid fotorezistent este adăugată la napolitană. Placa este rotită la o viteză de 1000 până la 5000 RPM, răspândind fotorezistul într-un strat uniform de 2 până la 200 um grosime. Există două tipuri de fotoreziste: negative și pozitive. Pozitiv: expunerea la lumină poate distruge structura moleculară complexă, făcând-o ușor de dizolvat. Negativ: Expunerea face structura moleculară mai complexă și mai dificil de dizolvat. Etapele implicate în fiecare etapă de fotolitografie sunt următoarele; ◈ Curățați napolitana ◈ Depuneți stratul de barieră SiO2, Si3N4, metal ◈ Aplicați fotorezist ◈ Coacere moale ◈ Aliniați masca ◈ Expunerea grafică ◈ Dezvoltare ◈ Coace ◈ Gravare ◈ Îndepărtați fotorezist (2) Pregătirea modelului pentru a proiecta software-ul de pregătire a modelului CADIC a fiecărui strat. Modelul este apoi transferat pe un substrat de cuarț transparent optic (șablon) cu modelul utilizând un generator de model laser sau un fascicul de electroni.
(3) Transfer de model (expunere) Aici, o mașină de fotolitografie este utilizată pentru a proiecta și copia modelul din șablon pe stratul de cip.
(4) Dezvoltare și coacere ◈ După expunere, napolitana este dezvoltată într-o soluție acidă sau alcalină pentru a îndepărta zonele expuse ale fotorezistului. ◈ Odată ce fotorezistul expus este îndepărtat, napolitana este „coaptă” la o temperatură scăzută pentru a întări fotorezistul rămas.
3. Procese de fabricare a semiconductoarelor - Gravare și implantare ionică (1) Gravare umedă și uscată ◈ Gravarea chimică se realizează pe o platformă umedă mare. ◈ Diferite tipuri de soluții acide, baze și caustice sunt utilizate pentru a îndepărta zonele selectate din diferite materiale. ◈ BOE, sau oxid tamponat, este fabricat din acid fluorhidric tamponat cu fluorură de amoniu și este utilizat pentru a îndepărta dioxidul de siliciu fără a grava stratul de siliciu sau polisiliciu dedesubt. ◈ Acidul fosforic este folosit pentru a grava straturile de nitrură de siliciu. ◈ Acidul azotic este folosit pentru gravarea metalelor. ◈ Fotorezistul este îndepărtat cu acid sulfuric. ◈ Pentru gravarea uscată, napolitana este plasată într-o cameră de gravare și gravată cu plasmă. ◈ Siguranța personalului este o preocupare principală. ◈ Multe fabrici folosesc echipamente automate pentru a efectua procesul de gravare. (2) Rezistă la stripare
Fotorezistul este apoi îndepărtat complet din plachetă, lăsând un model de oxid pe placă.
(3) Implantarea ionică
◈ Implantarea ionică modifică proprietățile electrice ale zonelor precise din straturile existente pe placă.
◈ Implantetoarele de ioni folosesc tuburi acceleratoare de curent ridicat și magneți de direcție și focalizare pentru a bombarda suprafața plachetei cu ioni de dopanți specifici.
◈ Oxidul acționează ca o barieră în timp ce substanțele chimice dopante sunt depuse la suprafață și difuzează în suprafață.
◈ Suprafața de siliciu este încălzită la 900 de grade pentru recoacere, iar ionii dopanți implantați difuzează mai departe în placheta de siliciu.
4. Procesul de fabricație a semiconductoarelor - Depunerea filmului subțire
Există multe moduri și conținuturi de depunere a filmului subțire, care sunt explicate unul câte unul mai jos: (1) Oxid de siliciu
Când siliciul există în oxigen, SiO2 va crește termic. Oxigenul provine din oxigen sau vapori de apă. Temperatura ambiantă trebuie să fie de 900 ~ 1200 de grade. Reacția chimică care are loc este
Si + O2 → SiO2
Si +2H2O ->SiO2 + 2H2
Suprafața plachetei de siliciu după oxidarea selectivă este prezentată în figura de mai jos:
Atât oxigenul, cât și apa difuzează prin SiO2 existent și se combină cu Si pentru a forma SiO2 suplimentar. Apa (vaporii) difuzează mai ușor decât oxigenul, așa că vaporii cresc mult mai repede.
Oxidul este folosit pentru a oferi un strat izolator și pasiv pentru a forma poarta tranzistorului. Oxigenul uscat este folosit pentru a forma poarta și stratul subțire de oxid. Vaporii sunt folosiți pentru a forma un strat gros de oxid. Stratul de oxid izolator este de obicei în jur de 1500 nm, iar stratul de poartă este de obicei între 200 nm și 500 nm.
(2) Depunerea chimică în vapori
Depunerea chimică în vapori (CVD) formează o peliculă subțire pe suprafața unui substrat prin descompunerea termică și/sau reacția compușilor gazoși.
Există trei tipuri de bază de reactoare CVD: ◈ Depunerea de vapori chimici atmosferici
◈ CVD de joasă presiune (LPCVD)
◈ CVD îmbunătățită cu plasmă (PECVD)
Diagrama schematică a procesului CVD de joasă presiune este prezentată mai jos.
Principalele procese de reacție ale CVD sunt următoarele
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->Si + 2h2 (600 de grade)
Rata de depunere 100 - 200 nm/min
Se poate adăuga fosfor (fosfină), bor (diboran) sau gaz arsenic. Polisiliciul poate fi de asemenea dopat cu gaz de difuzie după depunere.
ii). Dioxid de siliciu Dioxid
SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 grad )
SiO2 este folosit ca izolator sau strat de pasivare. Fosforul este de obicei adăugat pentru a obține o performanță mai bună a fluxului de electroni.
iii). Nitrură de siliciu Nitrură de siliciu
3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2
(Silan) (Amoniac) (Nitrură)
(3) Pulverizare
Ținta este bombardată cu ioni de înaltă energie, cum ar fi Ar+, iar atomii din țintă vor fi mutați și transportați pe substrat.
Metale precum aluminiul și titanul pot fi folosite ca ținte. (4) Evaporare
Al sau Au (aurul) este încălzit până la punctul de evaporare, iar vaporii se vor condensa și vor forma o peliculă subțire care acoperă suprafața plachetei.
Următorul exemplu va explica în detaliu modul în care circuitul de pe placă de siliciu este format pas cu pas de la fotolitografie, gravare până la depunerea ionică:
5. Procesul de fabricație a semiconductorilor - Test de ambalare (post-procesare)
(1) Testul plachetei După finalizarea pregătirii finale a circuitului, dispozitivele de testare de pe plachetă sunt testate folosind o metodă automată de testare a sondei pentru a îndepărta produsele defecte.
(2) Tăierea napolitanelor După testul sondei, napolitana este tăiată în chipsuri individuale.
(3) Cablări și ambalare ◈ Chipurile individuale sunt conectate la cadrul de plumb, iar cablurile de aluminiu sau aur sunt conectate prin compresie termică sau sudare cu ultrasunete. ◈ Ambalajul se finalizează prin sigilarea dispozitivului într-un ambalaj din ceramică sau plastic. ◈ Majoritatea cipurilor mai trebuie să fie supuse testării funcționale finale înainte de a fi trimise utilizatorilor din aval.
