Proizvodnja polprevodniških komponent vključuje vrsto zapletenih proizvodnih procesov za preoblikovanje surovin v končne komponente za različne aplikacije, ki zagotavljajo kritične funkcije nadzora in zaznavanja.
Proizvodnja polprevodnikov vključuje niz zapletenih procesov za pretvorbo surovin v končne končne komponente. Postopek izdelave polprevodnikov na splošno vključuje štiri glavne faze: izdelavo rezin, testno sestavljanje ali pakiranje rezin in končno testiranje. Vsaka stopnja ima svoje edinstvene izzive in priložnosti.
Tudi proizvodni proces polprevodnikov se sooča s številnimi izzivi, vključno s stroški, kompleksnostjo, raznolikostjo in izkoristkom, prinaša pa tudi velike priložnosti za inovacije in razvoj. Z obravnavo težav in izkoriščanjem priložnosti lahko spodbujamo razvoj novih tehnologij, da spremenimo način življenja in dela, hkrati pa industriji omogočimo nadaljnji razvoj in rast.
一. Pregled postopka izdelave polprevodnikov
Postopek izdelave polprevodnikov lahko razdelimo na naslednje ključne korake.
1. Priprava oblatov
Kot začetni material za polprevodniški postopek so izbrane silicijeve rezine. Plošče so očiščene, polirane in pripravljene za uporabo kot podlage za proizvodnjo elektronskih komponent.
2. Vzorčenje
V tem procesu se vzorci ustvarijo na silicijevih rezinah s postopkom, imenovanim fotolitografija. Na površino rezine se nanese plast fotorezista, odpornega proti koroziji, nato pa se na vrh rezine namesti maska. Maska ima vzorec, ki ustreza ustreznim vnaprej izdelanim elektronskim komponentam. Vzorec se nato z ultravijolično svetlobo prenese z maske na plast fotorezista. Izpostavljena področja fotorezista se nato odstranijo, tako da na rezini ostane vzorčasta površina.
3. Doping materiala
V tem koraku se silicijevi rezini dodajo materiali, da se spremenijo njene električne lastnosti. Najpogosteje uporabljena materiala sta bor ali fosfor, ki ju je mogoče dodati v majhnih količinah za proizvodnjo polprevodnikov tipa p oziroma n. Ti materiali se implantirajo na površino rezine z ionskim pospeševanjem v procesu, imenovanem ionska implantacija.
4. Obdelava nanosa rezin
Med tem postopkom se tankoslojni materiali nanesejo na rezino, da se ustvarijo elektronske komponente. To je mogoče doseči z različnimi tehnikami, vključno s kemičnim nanašanjem iz pare (CVD), fizikalnim nanašanjem s paro (PVD) in nanašanjem z atomsko plastjo (ALD). Te postopke je mogoče uporabiti za odlaganje materialov, kot so kovine, oksidi in nitridi.
5. Jedkanica
Odstranitev dela materiala s površine rezine za izdelavo oblike in strukture, ki sta potrebni za elektronsko komponento. Jedkanje je mogoče izvesti z različnimi tehnikami, vključno z mokrim jedkanjem, suhim jedkanjem in plazemskim jedkanjem. Ti postopki uporabljajo kemikalije ali plazmo za selektivno odstranjevanje določenih materialov iz rezine.
6. Embalaža
Elektronske komponente so zapakirane v končni izdelek, ki se lahko uporablja v elektronskih napravah. To vključuje povezovanje komponent s substratom, kot je tiskano vezje, in nato njihovo povezovanje z drugimi komponentami z žicami ali drugimi sredstvi. Polprevodniški procesi so zelo zapleteni in vključujejo vrsto specializirane opreme in materialov. Ti procesi so bistveni za proizvodnjo sodobnih elektronskih naprav in se še naprej razvijajo s ponavljanjem novih tehnologij.
Običajno postopek izdelave polprevodniških čipov traja od nekaj tednov do nekaj mesecev. Začenši s prvo stopnjo, je treba izdelati silikonsko rezino, ki bo služila kot podlaga za čip. Ta postopek običajno vključuje naslednje postopke, čiščenje, nanašanje, litografijo, jedkanje in dopiranje. Oblatin bo morda moral opraviti na stotine različnih postopkov, tako da lahko celoten postopek izdelave oblatov traja do 16-18 tednov.
Ko so posamezni čipi izdelani na rezini, jih je treba ločiti in zapakirati v posamezne enote. To vključuje tudi testiranje vsakega čipa, da se zagotovi, da ustreza specifikacijam, in nato ločitev od rezine ter namestitev na embalažo ali substrat. Ko bodo čipi zapakirani, bodo šli skozi strog postopek testiranja, da se zagotovi, da izpolnjujejo standarde kakovosti in dosegajo pričakovane funkcije. To vključuje izvajanje elektronskih testov, funkcionalnih testov in drugih vrst preizkusov preverjanja za odkrivanje morebitnih napak ali težav. To je odvisno tudi od kompleksnosti čipa in zahtevanih zahtev testiranja, zato lahko ta postopek pakiranja in testiranja traja 8-10 tednov.
Celoten proces izdelave polprevodniških čipov lahko traja več tednov ali mesecev, saj je odvisen od uporabljenih ustreznih tehnologij in kompleksnosti zasnove čipa.
2. Trendi in izzivi v proizvodnji polprevodnikov
1. Prenos vzorca
Napredek v tehnologiji prenosa vzorcev je postal ključno gonilo hitrega razvoja polprevodniške industrije, ki omogoča izdelavo manjših in kompleksnejših elektronskih komponent.
Velik napredek v tehnologiji prenosa vzorcev je razvoj napredne litografije, ki je postopek prenosa vzorcev na medij z uporabo svetlobe ali drugih virov sevanja. Zlasti tehnologije litografije, razvite v zadnjih letih, kot sta ekstremno ultravijolična (EUV) litografija in tehnologija večkratnega vzorčenja, se uporabljajo za izdelavo manjših in bolj zapletenih grafik.
EUV litografija uporablja svetlobne žarke izjemno kratke valovne dolžine za ustvarjanje izjemno natančnih vzorcev na silicijevih rezinah. Ta tehnologija lahko ustvari tako majhne velikosti kot nekaj nanometrov, kar je bistveno za proizvodnjo naprednih elektronskih komponent, kot so mikroprocesorji.
Večkratno vzorčenje je še ena tehnologija litografije, ki lahko ustvari manjše vzorce. Ta tehnologija vključuje razčlenitev posameznega vzorca na več mikropolarnih vzorcev in njihov nato prenos na površino rezine. Posledično je lahko ustvarjeni vzorec manjši od valovne dolžine sevanja, ki se uporablja v litografiji.
2. Doping
Dodatki so dodajanje posebnih medijev silicijevim rezinam za spreminjanje njihovih električnih lastnosti. Napredek v tehnologiji dopinga je bil ključni dejavnik hitrega razvoja industrije polprevodnikov. Ta tehnološki napredek je posledica pojava novih dielektričnih materialov.
Tradicionalno sta bor in fosfor najpogosteje uporabljena materiala za dopiranje, ker lahko proizvedeta polprevodnike p-tipa oziroma n-tipa. Vendar so bili v zadnjih letih razviti novi materiali, kot so germanij, arzen in antimon, ki jih je mogoče uporabiti za izdelavo kompleksnejših elektronskih komponent.
Drug napredek v tehnologiji dopinga je napredek natančnejših postopkov dopinga. V preteklosti je bila ionska implantacija glavna tehnologija, uporabljena za dopiranje, ki je vključevala uporabo hitrih ionov za implantacijo dielektrikov na površino rezine. Čeprav se ionska implantacija še vedno pogosto uporablja, so bile razvite nove tehnologije, kot sta epitaksija z molekularnim žarkom (MBE) in kemično naparjevanje (CVD), ki omogočajo natančnejši nadzor postopka dopinga.
3. Odlaganje
Odlaganje je še en ključni proces v proizvodnji polprevodnikov, ki vključuje odlaganje tankega filma materiala na podlago. Ta proces je mogoče doseči z različnimi tehnologijami, kot so fizično naparjevanje (PVD), kemično naparjevanje (CVD), atomsko plastno nanašanje (ALD) itd.
Hkrati se nenehno razvijajo tudi nove tehnologije, vključno s kovinsko organskim kemičnim nanašanjem iz pare (MOCVD), nanašanjem s plazmo, nanašanjem iz valja v valj itd.
4. Jedkanica
Jedkanje vključuje odstranjevanje določenih delov polprevodniških materialov za ustvarjanje vzorcev ali struktur. Napredek v tehnologiji jedkanja je glavni razlog za hiter razvoj industrije polprevodnikov in je tudi ključna tehnologija za izdelavo manjših in kompleksnejših elektronskih komponent.
V preteklosti je bila glavna pogosto uporabljena tehnologija mokro jedkanje, ki vključuje potopitev rezine v raztopino, ki raztopi material. Vendar pa mokro jedkanje ni natančno in lahko povzroči poškodbe sosednjih struktur.
Pojav tehnologije suhega jedkanja je omogočil natančnejšo in visoko nadzorovano proizvodnjo jedkanja, kot sta reaktivno ionsko jedkanje (RIE) in plazemsko jedkanje. RIE je tehnologija, ki uporablja reaktivne ione za selektivno odstranjevanje materiala iz rezine, kar omogoča natančen nadzor postopka jedkanja.
Plazemsko jedkanje je podobna tehnologija, ki za odstranjevanje materiala uporablja plinsko plazmo, vendar ima dodatno prednost selektivnega odstranjevanja določenih materialov, kot so kovine ali silicij.
5. Embalaža
Postopek pakiranja v proizvodnji polprevodnikov vključuje zapiranje integriranega vezja v zaščitno ohišje, ki zagotavlja tudi električne povezave z zunanjim svetom. Postopek pakiranja vpliva na zmogljivost, zanesljivost in ceno končnega izdelka.
3D pakiranje vključuje zlaganje več čipov skupaj za ustvarjanje integriranih vezij visoke gostote. Ta tehnologija lahko zmanjša celotno velikost naprave in izboljša njeno delovanje ter hkrati zmanjša porabo energije.
Pahljačasta embalaža je tehnologija, ki vdela integrirana vezja v plast epoksidne mase za vlivanje z uporabo bakrenih stebrov, ki so razprti iz čipa za električne povezave. Ta tehnologija omogoča pakiranje visoke gostote v manjši velikosti.
System-in-Package (SiP) je še ena tehnologija, ki integrira več čipov, senzorjev in drugih komponent v en sam paket. Zmanjša lahko skupno velikost naprave, hkrati pa izboljša njeno splošno delovanje.