Výroba čipů je dnes nejsložitější proces na světě. Jedná se o složitý proces, který dokončilo mnoho špičkových společností. Tento článek se snaží tento proces shrnout a podat komplexní a obecný popis tohoto složitého procesu.
Procesů výroby polovodičů je mnoho a říká se, že jde o stovky nebo dokonce tisíce kroků. To není přehánění. Továrna s miliardovou investicí může udělat jen malou část procesu. U tak složitého procesu bude tento článek pro vysvětlení rozdělen do pěti hlavních kategorií: výroba plátků, fotolitografie a leptání, iontová implantace, nanášení tenkých vrstev a balení a testování.
1. Proces výroby polovodičů - výroba destiček
Výrobu oplatek lze rozdělit do následujících 5 hlavních procesů:
(1) Tahání krystalů
◈ Dopovaný polysilikon se taví při 1400 stupních
◈ Vstříkněte vysoce čistý argonový inertní plyn
◈ Umístěte „semínko“ monokrystalu křemíku do taveniny a při „vytažení“ jej pomalu otáčejte.
◈ Průměr monokrystalického ingotu je určen teplotou a rychlostí extrakce
(2) Krájení plátků používá přesnou "pilu" k řezání křemíkového ingotu na jednotlivé plátky.
(3) Lapování plátků, leptání
◈ Nakrájené plátky jsou mechanicky broušeny pomocí rotační brusky a oxidu hlinitého, aby byl povrch plátku rovný a rovnoběžný a omezily se mechanické vady.
◈ Plátky jsou poté leptány v roztoku nitridované kyseliny/kyseliny octové, aby se odstranily mikroskopické praskliny nebo poškození povrchu, a poté následuje řada vysoce čistých RO/DI vodních lázní.
(4) Leštění a čištění plátků
◈ Dále jsou destičky leštěny řadou chemických a mechanických leštících procesů nazývaných CMP (Chemical Mechanical Polish). ◈ Proces leštění obvykle zahrnuje dva až tři kroky leštění pomocí stále jemnějších kaší a mezičištění pomocí RO/DI vody. ◈ Konečné čištění se provádí pomocí roztoku SC1 (amoniak, peroxid vodíku a RO/DI voda) k odstranění organických nečistot a částic. Poté se HF používá k odstranění nativních oxidů a kovových nečistot a nakonec roztok SC2 umožňuje růst nových ultračistých nativních oxidů na povrchu. (5) Epitaxní zpracování plátků
◈ Epitaxní růst (EPI) se používá k růstu vrstvy monokrystalického křemíku z páry na substrát z monokrystalického křemíku při vysokých teplotách.
◈ Proces růstu vrstvy monokrystalického křemíku z plynné fáze se nazývá epitaxe v parní fázi (VPE).
SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl
SiCl4 (chlorid křemičitý)
Reakce je vratná, tj. po přidání HCl dojde k vyleptání křemíku z povrchu waferu.
Další reakce vedoucí ke generování Si je nevratná: SiH4 → Si + 2H2 (silan)
◈ Účelem růstu EPI je vytváření vrstev s různými (obvykle nižšími) koncentracemi elektricky aktivních příměsí na substrátu. Například vrstva typu N na waferu typu P.
◈ Asi 3 % tloušťky plátku.
◈ Žádné znečištění následných tranzistorových struktur.
2. Proces výroby polovodičů - Fotolitografie Fotolitografický stroj, o kterém se v posledních letech hodně mluví, je jen jedním z mnoha procesních zařízení. I fotolitografie má mnoho procesních kroků a zařízení.
(1) Fotorezistní povlak
Fotorezist je fotocitlivý materiál. Do destičky se přidá malé množství kapaliny fotorezistu. Destička se otáčí rychlostí 1000 až 5000 ot./min., čímž se fotorezist rozprostírá do jednotného povlaku o tloušťce 2 až 200 um. Existují dva typy fotorezistů: negativní a pozitivní. Pozitivní: Vystavení světlu může rozložit složitou molekulární strukturu, takže se snadno rozpouští. Negativní: Expozice činí molekulární strukturu složitější a obtížněji se rozpouští. Kroky zahrnuté v každém kroku fotolitografie jsou následující; ◈ Čištění plátku ◈ Nanesení bariérové vrstvy SiO2, Si3N4, kov ◈ Nanesení fotorezistu ◈ Měkké vypalování ◈ Zarovnání masky ◈ Grafická expozice ◈ Vývoj ◈ Vypalování ◈ Leptání ◈ Odstraňte fotorezist (2) Příprava vzoru Příprava vzoru Návrháři vzoru IC používají software CAD každé vrstvy. Vzor se poté přenese na opticky transparentní křemenný substrát (šablonu) se vzorem pomocí generátoru laserového vzoru nebo elektronového paprsku.
(3) Přenos vzoru (expozice) Zde se fotolitografický stroj používá k promítání a kopírování vzoru ze šablony na vrstvu čipu.
(4) Vyvolání a vypalování ◈ Po expozici se plátek vyvolá v kyselém nebo alkalickém roztoku, aby se odstranily exponované oblasti fotorezistu. ◈ Jakmile je exponovaný fotorezist odstraněn, plátek je „pečen“ při nízké teplotě, aby zbylý fotorezist vytvrdil.
3. Procesy výroby polovodičů – leptání a iontová implantace (1) Mokré a suché leptání ◈ Chemické leptání se provádí na velké mokré plošině. ◈ K odstranění vybraných oblastí různých materiálů se používají různé typy kyselých, zásaditých a žíravých roztoků. ◈ BOE nebo pufrované oxidové leptadlo se vyrábí z kyseliny fluorovodíkové pufrované fluoridem amonným a používá se k odstranění oxidu křemičitého bez leptání podkladové křemíkové nebo polysilikonové vrstvy. ◈ Kyselina fosforečná se používá k leptání vrstev nitridu křemíku. ◈ Kyselina dusičná se používá k leptání kovů. ◈ Fotorezist se odstraní kyselinou sírovou. ◈ Pro suché leptání je plátek umístěn do leptací komory a leptán plazmou. ◈ Bezpečnost personálu je prvořadým zájmem. ◈ Mnoho továren používá k provádění procesu leptání automatizované zařízení. (2) Odizolování
Fotorezist se pak z plátku zcela stáhne a na plátku zanechá oxidový vzor.
(3) Iontová implantace
◈ Iontová implantace mění elektrické vlastnosti přesných oblastí ve stávajících vrstvách na waferu.
◈ Iontové implantátory používají vysokoproudé urychlovací trubice a řídicí a zaostřovací magnety k bombardování povrchu plátku ionty specifických příměsí.
◈ Oxid působí jako bariéra, zatímco dopingové chemikálie se ukládají na povrch a difundují do povrchu.
◈ Povrch křemíku se zahřeje na 900 stupňů za účelem žíhání a implantované dopující ionty difundují dále do křemíkového plátku.
4. Proces výroby polovodičů - nanášení tenkých vrstev
Existuje mnoho způsobů a obsahů depozice tenkého filmu, které jsou vysvětleny jeden po druhém níže: (1) Oxid křemíku
Když křemík existuje v kyslíku, bude SiO2 tepelně růst. Kyslík pochází z kyslíku nebo vodní páry. Okolní teplota musí být 900 ~ 1200 stupňů. Chemická reakce, ke které dochází, je
Si + O2 → SiO2
Si +2H2O ->SiO2 + 2H2
Povrch křemíkového plátku po selektivní oxidaci je znázorněn na obrázku níže:
Kyslík i voda difundují stávajícím SiO2 a spojují se s Si za vzniku dalšího SiO2. Voda (pára) difunduje snadněji než kyslík, takže pára roste mnohem rychleji.
Oxid se používá k vytvoření izolační a pasivační vrstvy pro vytvoření hradla tranzistoru. Suchý kyslík se používá k vytvoření brány a tenké vrstvy oxidu. Pára se používá k vytvoření silné vrstvy oxidu. Izolační oxidová vrstva je obvykle kolem 1500 nm a hradlová vrstva je obvykle mezi 200 nm a 500 nm.
(2) Chemická depozice z plynné fáze
Chemická depozice z plynné fáze (CVD) vytváří tenký film na povrchu substrátu tepelným rozkladem a/nebo reakcí plynných sloučenin.
Existují tři základní typy CVD reaktorů: ◈ Atmosférická chemická depozice par
◈ Nízkotlaký CVD (LPCVD)
◈ Plazma vylepšené CVD (PECVD)
Schematický diagram nízkotlakého CVD procesu je uveden níže.
Hlavní reakční procesy CVD jsou následující
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->Si + 2h2 (600 stupňů)
Depoziční rychlost 100 - 200 nm/min
Lze přidat fosfor (fosfin), bór (diboran) nebo plynný arsen. Polysilikon lze po nanesení také dotovat difúzním plynem.
ii). Oxid křemičitý Dioxid
SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 stupeň)
SiO2 se používá jako izolant nebo pasivační vrstva. Fosfor se obvykle přidává pro dosažení lepší účinnosti toku elektronů.
iii). Nitrid křemíku Nitrid křemíku
3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2
(Silan) (Amoniak) (Nitrid)
(3) Naprašování
Cíl je bombardován vysokoenergetickými ionty, jako je Ar+, a atomy v cíli budou přesunuty a transportovány do substrátu.
Jako terče lze použít kovy jako hliník a titan. (4) Odpařování
Al nebo Au (zlato) se zahřejí na bod odpařování a pára bude kondenzovat a vytvoří tenký film pokrývající povrch plátku.
Následující příklad podrobně vysvětlí, jak se obvod na křemíkové destičce tvoří krok za krokem od fotolitografie, leptání až po nanášení iontů:
5. Proces výroby polovodičů - Test balení (post-processing)
(1) Test destičky Po dokončení přípravy konečného obvodu jsou testovací zařízení na destičce testována pomocí automatizované zkušební metody sondy, aby se odstranily vadné produkty.
(2) Drcení plátků Po testu sondou se plátek nařeže na jednotlivé žetony.
(3) Zapojení a balení ◈ Jednotlivé čipy jsou připojeny k rámu elektrody a hliníkové nebo zlaté kabely jsou spojeny tepelnou kompresí nebo ultrazvukovým svařováním. ◈ Balení je dokončeno zatavením zařízení do keramického nebo plastového obalu. ◈ Většina čipů musí ještě před odesláním následným uživatelům projít závěrečným funkčním testováním.
