Производња чипова је данас најсложенији процес на свету. Ово је сложен процес који завршавају многе врхунске компаније. Овај чланак настоји да сумира овај процес и да свеобухватан и општи опис овог сложеног процеса.
Постоји много процеса производње полупроводника, а каже се да постоје стотине или чак хиљаде корака. Ово није претеривање. Фабрика са инвестицијом од милијарду долара може да уради само мали део процеса. За тако сложен процес, овај чланак ће бити подељен у пет главних категорија ради објашњења: производња плочица, фотолитографија и гравирање, јонска имплантација, таложење танког филма и паковање и тестирање.
1. Процес производње полупроводника – производња плочица
Производња вафла се може поделити на следећих 5 главних процеса:
(1) Повлачење кристала
◈ Допирани полисилицијум се топи на 1400 степени
◈ Убризгати инертни гас аргона високе чистоће
◈ Ставите монокристално силиконско „семе“ у растоп и полако га ротирајте када га „извучете“.
◈ Пречник монокристалног ингота је одређен температуром и брзином екстракције
(2) Резање вафла користи прецизну „тестеру“ за сечење силицијумских ингота на појединачне облатне.
(3) Лаппинг, гравирање
◈ Исечене облатне се механички мељу помоћу ротационог млевења и глинице да би се површина вафла учинила равном и паралелном и смањила механичка оштећења.
◈ Облатне се затим урезују у раствору нитриране киселине/сирћетне киселине да би се уклониле микроскопске пукотине или површинска оштећења, након чега следи серија РО/ДИ водених купатила високе чистоће.
(4) Полирање и чишћење плочица
◈ Затим се плочице полирају у низу хемијских и механичких процеса полирања под називом ЦМП (Цхемицал Мецханицал Полисх). ◈ Процес полирања обично укључује два до три корака полирања користећи све финије суспензије и средње чишћење помоћу РО/ДИ воде. ◈ Завршно чишћење се изводи коришћењем СЦ1 раствора (амонијак, водоник пероксид и РО/ДИ вода) да би се уклониле органске нечистоће и честице. Затим, ХФ се користи за уклањање природних оксида и металних нечистоћа, и коначно СЦ2 раствор омогућава ултра чистим новим природним оксидима да расту на површини. (5) епитаксијална обрада плочице
◈ Епитаксијални раст (ЕПИ) се користи за узгој слоја монокристалног силицијума из паре на монокристалну силицијумску подлогу на високим температурама.
◈ Процес раста монокристалног силицијумског слоја из парне фазе назива се епитаксија парне фазе (ВПЕ).
СиЦл4 + 2Х2 ↔ Си + 4ХЦл
СиЦл4 (силицијум тетрахлорид)
Реакција је реверзибилна, односно ако се дода ХЦл, силицијум ће бити изрезан са површине плочице.
Друга реакција за стварање Си је неповратна: СиХ4 → Си + 2Х2 (силан)
◈ Сврха ЕПИ раста је формирање слојева са различитим (обично нижим) концентрацијама електричних активних додатака на подлози. На пример, слој Н-типа на плочици П-типа.
◈ Око 3% дебљине облатне.
◈ Нема контаминације накнадних транзисторских структура.
2. Процес производње полупроводника – фотолитографија Фотолитографска машина, која се много помиње последњих година, само је једна од многих процесних уређаја. Чак и фотолитографија има много корака процеса и опреме.
(1) Фотоотпорни премаз
Фоторезист је фотоосетљив материјал. У вафлу се додаје мала количина фоторезист течности. Облата се ротира брзином од 1000 до 5000 обртаја у минути, ширећи фоторезист у једноличан премаз дебљине 2 до 200 ум. Постоје две врсте фоторезиста: негативни и позитивни. Позитивно: излагање светлости може разбити сложену молекуларну структуру, што олакшава растварање. Негативно: Излагање чини молекуларну структуру сложенијом и тежим за растварање. Кораци укључени у сваки корак фотолитографије су следећи; ◈ Очистите плочицу ◈ Нанесите баријерни слој СиО2, Си3Н4, метал ◈ Нанесите фоторезист ◈ Мекано печење ◈ Поравнајте маску ◈ Графичка експозиција ◈ Развој ◈ Печење ◈ Етцх ◈ Уклоните фоторезист (2) Уклоните фоторезист (2) Дизајн шаблона за дизајн Припрема Припрема узорак сваког слоја. Узорак се затим преноси на оптички провидни кварцни супстрат (шаблон) са шаблоном помоћу генератора ласерског узорка или електронског зрака.
(3) Пренос узорка (експозиција) Овде се фотолитографска машина користи за пројектовање и копирање узорка са шаблона на слој чипа.
(4) Развијање и печење ◈ Након излагања, обланда се развија у киселом или алкалном раствору како би се уклонила изложена подручја фоторезиста. ◈ Када се уклони изложени фоторезист, обланда се „пече“ на ниској температури да би се преостали фоторезист стврднуо.
3. Процеси производње полупроводника – јеткање и јонска имплантација (1) Мокро и суво јеткање ◈ Хемијско нагризање се изводи на великој влажној платформи. ◈ Различите врсте раствора киселина, база и каустичних раствора се користе за уклањање одабраних подручја различитих материјала. ◈ БОЕ, или пуферовано средство за нагризање оксида, направљено је од флуороводоничне киселине пуфероване амонијум флуоридом и користи се за уклањање силицијум диоксида без нагризања основног силицијумског или полисилицијумског слоја. ◈ Фосфорна киселина се користи за нагризање слојева силицијум нитрида. ◈ Азотна киселина се користи за јеткање метала. ◈ Фоторезист се уклања сумпорном киселином. ◈ За суво гравирање, плочица се поставља у комору за гравирање и гравира плазмом. ◈ Безбедност особља је примарна брига. ◈ Многе фабрике користе аутоматизовану опрему за извођење процеса гравирања. (2) Отпор на скидање
Фоторезист се затим потпуно скине са облатне, остављајући оксидни узорак на плочици.
(3) Имплантација јона
◈ Јонска имплантација мења електрична својства прецизних области унутар постојећих слојева на плочици.
◈ Јонски имплантатори користе високострујне акцелераторске цеви и магнете за управљање и фокусирање да бомбардују површину плочице јонима специфичних додатака.
◈ Оксид делује као баријера док се допинг хемикалије таложе на површини и дифундују у површину.
◈ Површина силикона се загрева на 900 степени ради жарења, а имплантирани допантни јони дифундују даље у силицијумску плочицу.
4. Процес производње полупроводника – наношење танког филма
Постоји много начина и садржаја таложења танког филма, који су објашњени један по један у наставку: (1) Силицијум оксид
Када силицијум постоји у кисеонику, СиО2 ће расти термички. Кисеоник долази из кисеоника или водене паре. Температура околине треба да буде 900 ~ 1200 степени. Хемијска реакција која се јавља је
Си + О2 → СиО2
Si +2H2O ->СиО2 + 2Х2
Површина силицијумске плочице након селективне оксидације приказана је на слици испод:
И кисеоник и вода дифундују кроз постојећи СиО2 и комбинују се са Си да би се формирао додатни СиО2. Вода (пара) лакше дифундује од кисеоника, па пара расте много брже.
Оксид се користи да обезбеди изолациони и пасивациони слој за формирање капије транзистора. Суви кисеоник се користи за формирање капије и танког оксидног слоја. Пара се користи за формирање дебелог оксидног слоја. Изолациони оксидни слој је обично око 1500 нм, а слој капије је обично између 200 нм и 500 нм.
(2) Таложење хемијском паром
Хемијско таложење паре (ЦВД) формира танак филм на површини супстрата кроз термичко разлагање и/или реакцију гасовитих једињења.
Постоје три основна типа ЦВД реактора: ◈ Атмосферско хемијско таложење паре
◈ ЦВД ниског притиска (ЛПЦВД)
◈ ЦВД побољшан плазмом (ПЕЦВД)
Шематски дијаграм ЦВД процеса ниског притиска је приказан испод.
Главни реакциони процеси КВБ су следећи
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->Си + 2х2 (600 степени)
Брзина таложења 100 - 200 нм /мин
Може се додати фосфор (фосфин), бор (диборан) или гас арсена. Полисилицијум се такође може допирати дифузионим гасом након таложења.
ии). Силицијум диоксид диоксид
СиХ4 + О2→СиО2 + 2х2 (300 - 500 степен )
СиО2 се користи као изолатор или пасивациони слој. Фосфор се обично додаје да би се добиле боље перформансе протока електрона.
иии). Силицијум нитрид Силицијум нитрид
3SiH4 + 4NH3 ->Си3Н4 + 12Х2
(Силане) (Амонијак) (Нитрид)
(3) Прскање
Мета је бомбардована јонима високе енергије као што је Ар+, а атоми у мети ће се померити и транспортовати до супстрата.
Метали као што су алуминијум и титанијум могу се користити као мете. (4) Испаравање
Ал или Ау (злато) се загревају до тачке испаравања, а пара ће се кондензовати и формирати танак филм који покрива површину вафла.
Следећи пример ће детаљно објаснити како се коло на силицијумској плочици формира корак по корак од фотолитографије, гравирања до таложења јона:
5. Процес производње полупроводника - Тест паковања (накнадна обрада)
(1) Испитивање плочице Након што је завршна припрема кола завршена, уређаји за тестирање на плочици се тестирају коришћењем аутоматизоване методе испитивања сонде да би се уклонили неисправни производи.
(2) Резање облата Након теста сондом, обланда се сече на појединачне чипове.
(3) Ожичење и паковање ◈ Појединачни чипови су повезани на оквир електроде, а алуминијумски или златни каблови су повезани термичком компресијом или ултразвучним заваривањем. ◈ Паковање се завршава затварањем уређаја у керамичко или пластично паковање. ◈ Већина чипова још увек треба да прође завршно функционално тестирање пре него што се пошаљу корисницима на нижем нивоу.
