Proizvodnja čipov je danes najkompleksnejši proces na svetu. To je zapleten proces, ki ga izvajajo številna vrhunska podjetja. Ta članek skuša povzeti ta proces ter podati celovit in splošen opis tega zapletenega procesa.
Postopkov izdelave polprevodnikov je veliko, korakov pa naj bi bilo na stotine ali celo na tisoče. To ni pretiravanje. Tovarna z milijardo dolarjev vredno naložbo lahko opravi le majhen del procesa. Za tako zapleten postopek bo ta članek razdeljen v pet glavnih kategorij za razlago: proizvodnja rezin, fotolitografija in jedkanje, ionska implantacija, nanašanje tankega filma ter pakiranje in testiranje.
1. Postopek izdelave polprevodnikov - izdelava rezin
Proizvodnjo rezin lahko razdelimo na naslednjih 5 glavnih procesov:
(1) Vlečenje kristalov
◈ Dopirani polisilicij se tali pri 1400 stopinjah
◈ Vbrizgajte inertni plin argon visoke čistosti
◈ "Seme" monokristalnega silicija postavite v talino in ga počasi zavrtite, ko ga "izvlečete".
◈ Premer monokristalnega ingota je določen s temperaturo in hitrostjo ekstrakcije
(2) Rezanje rezin uporablja natančno "žago" za rezanje silicijevega ingota na posamezne rezine.
(3) Lepanje rezin, jedkanje
◈ Narezane oblate mehansko zmeljejo z uporabo rotacijskega mlinčka in aluminijevega oksida, da postane površina oblatov ravna in vzporedna ter zmanjša mehanske napake.
◈ Rezine se nato jedkajo v raztopini nitrirane kisline/ocetne kisline, da se odstranijo mikroskopske razpoke ali površinske poškodbe, čemur sledi serija RO/DI vodnih kopeli visoke čistosti.
(4) Poliranje in čiščenje rezin
◈ Nato se rezine polirajo v seriji kemičnih in mehanskih postopkov poliranja, imenovanih CMP (Chemical Mechanical Polish). ◈ Postopek poliranja običajno vključuje dva do tri korake poliranja z uporabo vse bolj finih mešanic in vmesnega čiščenja z uporabo RO/DI vode. ◈ Končno čiščenje se izvede z raztopino SC1 (amoniak, vodikov peroksid in RO/DI voda), da se odstranijo organske nečistoče in delci. Nato se HF uporabi za odstranjevanje naravnih oksidov in kovinskih nečistoč, končno pa raztopina SC2 omogoča, da na površini rastejo izjemno čisti novi naravni oksidi. (5) Epitaksialna obdelava rezin
◈ Epitaksialna rast (EPI) se uporablja za gojenje plasti monokristalnega silicija iz pare na substrat enokristalnega silicija pri visokih temperaturah.
◈ Postopek gojenja plasti monokristalnega silicija iz parne faze se imenuje parna fazna epitaksija (VPE).
SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl
SiCl4 (silicijev tetraklorid)
Reakcija je reverzibilna, tj. če dodamo HCl, bo silicij izjedkan s površine rezine.
Druga reakcija za ustvarjanje Si je ireverzibilna: SiH4 → Si + 2H2 (silan)
◈ Namen rasti EPI je oblikovanje plasti z različnimi (običajno nižjimi) koncentracijami električno aktivnih dopantov na substratu. Na primer plast tipa N na rezini tipa P.
◈ Približno 3 % debeline oblata.
◈ Brez kontaminacije naslednjih tranzistorskih struktur.
2. Postopek izdelave polprevodnikov - fotolitografija Fotolitografski stroj, ki ga zadnja leta veliko omenjamo, je le ena od mnogih procesnih naprav. Tudi fotolitografija ima veliko procesnih korakov in opreme.
(1) Fotoodporen premaz
Fotorezist je fotoobčutljiv material. V rezino se doda majhna količina fotorezistne tekočine. Rezina se vrti s hitrostjo od 1000 do 5000 obratov na minuto, pri čemer se fotorezist razporedi v enakomeren premaz debeline 2 do 200 um. Obstajata dve vrsti fotorezistov: negativ in pozitiv. Pozitivno: izpostavljenost svetlobi lahko poruši kompleksno molekularno strukturo, zaradi česar se zlahka raztopi. Negativno: zaradi izpostavljenosti je molekularna struktura bolj zapletena in jo je težje raztopiti. Koraki, vključeni v vsak korak fotolitografije, so naslednji; ◈ Očistite rezino ◈ Nanesite pregradno plast SiO2, Si3N4, kovina ◈ Nanesite fotorezist ◈ Mehko pečenje ◈ Poravnajte masko ◈ Grafična osvetlitev ◈ Razvoj ◈ Pecite ◈ Jedkajte ◈ Odstranite fotorezist (2) Priprava vzorca Priprava vzorca Oblikovalci IC uporabljajo programsko opremo CAD za oblikovanje vzorca vsake plasti. Vzorec se nato z vzorcem z laserskim generatorjem vzorcev ali elektronskim žarkom prenese na optično prozorno kremenčevo podlago (šablono).
(3) Prenos vzorca (osvetlitev) Tu se uporablja fotolitografski stroj za projiciranje in kopiranje vzorca iz predloge na plast čipa.
(4) Razvijanje in pečenje ◈ Po izpostavitvi se rezina razvije v kisli ali alkalni raztopini, da se odstranijo izpostavljena področja fotorezista. ◈ Ko je izpostavljen fotorezist odstranjen, se rezina "peče" na nizki temperaturi, da se preostali fotorezist strdi.
3. Postopki izdelave polprevodnikov – jedkanje in ionska implantacija (1) Mokro in suho jedkanje ◈ Kemijsko jedkanje se izvaja na veliki mokri ploščadi. ◈ Različne vrste kislin, baz in jedkih raztopin se uporabljajo za odstranjevanje izbranih področij različnih materialov. ◈ BOE ali pufrsko oksidno jedkalo je narejeno iz fluorovodikove kisline, pufrizirane z amonijevim fluoridom, in se uporablja za odstranjevanje silicijevega dioksida brez jedkanja spodnje plasti silicija ali polisilicija. ◈ Fosforjeva kislina se uporablja za jedkanje plasti silicijevega nitrida. ◈ Dušikova kislina se uporablja za jedkanje kovin. ◈ Fotorezist odstranimo z žveplovo kislino. ◈ Za suho jedkanje se rezina postavi v komoro za jedkanje in jedka s plazmo. ◈ Varnost osebja je glavna skrb. ◈ Številne tovarne uporabljajo avtomatizirano opremo za izvajanje postopka jedkanja. (2) Upreti se odstranjevanju
Fotorezist se nato popolnoma odstrani z rezine, tako da ostane oksidni vzorec na rezini.
(3) Ionska implantacija
◈ Ionska implantacija spremeni električne lastnosti natančnih območij znotraj obstoječih plasti na rezini.
◈ Ionski implantanti uporabljajo visokotokovne pospeševalne cevi ter magnete za krmiljenje in ostrenje za bombardiranje površine rezin z ioni določenih dopantov.
◈ Oksid deluje kot pregrada, medtem ko se dopirne kemikalije odlagajo na površino in difundirajo v površino.
◈ Površina silicija se segreje na 900 stopinj za žarjenje, implantirani dopantni ioni pa difundirajo naprej v silicijevo rezino.
4. Postopek izdelave polprevodnikov – nanašanje tankega filma
Obstaja veliko načinov in vsebin nanašanja tankega filma, ki so enega za drugim razloženi spodaj: (1) Silicijev oksid
Ko je silicij v kisiku, bo SiO2 termično rasel. Kisik prihaja iz kisika ali vodne pare. Temperatura okolja mora biti 900 ~ 1200 stopinj. Kemična reakcija, ki se zgodi, je
Si + O2 → SiO2
Si +2H2O ->SiO2 + 2H2
Površina silicijeve rezine po selektivni oksidaciji je prikazana na spodnji sliki:
Tako kisik kot voda difundirata skozi obstoječi SiO2 in se združita s Si, da tvorita dodaten SiO2. Voda (hlapi) difundira lažje kot kisik, zato para raste veliko hitreje.
Oksid se uporablja za zagotovitev izolacijske in pasivne plasti za oblikovanje vrat tranzistorja. Za oblikovanje vrat in tanke oksidne plasti se uporablja suhi kisik. Hlapi se uporabljajo za oblikovanje debele oksidne plasti. Izolacijska oksidna plast je običajno okoli 1500 nm, plast vrat pa je običajno med 200 nm in 500 nm.
(2) Kemično naparjanje
Kemično naparjevanje (CVD) tvori tanek film na površini substrata s toplotno razgradnjo in/ali reakcijo plinastih spojin.
Obstajajo trije osnovni tipi CVD reaktorjev: ◈ Atmosfersko kemično naparjevanje
◈ CVD pri nizkem tlaku (LPCVD)
◈ CVD s plazmo (PECVD)
Spodaj je prikazan shematski diagram nizkotlačnega postopka CVD.
Glavni reakcijski procesi KVB so naslednji
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->Si + 2h2 (600 stopinj)
Hitrost nanašanja 100 - 200 nm/min
Dodamo lahko fosfor (fosfin), bor (diboran) ali plin arzen. Polisilicij se lahko po nanašanju dopira tudi z difuzijskim plinom.
ii). Silicijev dioksid Dioksid
SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 stopnja )
SiO2 se uporablja kot izolator ali pasivni sloj. Fosfor se običajno doda, da se doseže boljši pretok elektronov.
iii). Silicijev nitrid Siicon Nitride
3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2
(Silan) (Amoniak) (Nitrid)
(3) Razprševanje
Tarča je bombardirana z visokoenergijskimi ioni, kot je Ar+, in atomi v tarči se premaknejo in prenesejo na substrat.
Kot tarče se lahko uporabijo kovine, kot sta aluminij in titan. (4) Izhlapevanje
Al ali Au (zlato) se segrejeta do točke izhlapevanja, hlapi pa se kondenzirajo in tvorijo tanek film, ki pokriva površino rezine.
Naslednji primer bo podrobno razložil, kako se vezje na silicijevi rezini oblikuje korak za korakom od fotolitografije, jedkanja do ionskega nanašanja:
5. Postopek izdelave polprevodnikov – preskus pakiranja (naknadna obdelava)
(1) Preskus rezin Ko je končna priprava vezja končana, se testne naprave na rezinah testirajo z avtomatsko preskusno metodo sonde, da se odstranijo okvarjeni izdelki.
(2) Rezanje oblatov Po testu s sondo se oblati razrežejo na posamezne kose.
(3) Ožičenje in embalaža ◈ Posamezni čipi so povezani z vodilnim okvirjem, aluminijasti ali zlati vodniki pa so povezani s termičnim stiskanjem ali ultrazvočnim varjenjem. ◈ Pakiranje se zaključi z zapiranjem naprave v keramično ali plastično embalažo. ◈ Večina čipov mora še vedno opraviti končno funkcionalno testiranje, preden se pošljejo nadaljnjim uporabnikom.
