Mikroshēmu ražošana mūsdienās ir vissarežģītākais process pasaulē. Tas ir sarežģīts process, ko veic daudzi vadošie uzņēmumi. Šī raksta mērķis ir apkopot šo procesu un sniegt visaptverošu un vispārīgu šī sarežģītā procesa aprakstu.
Ir daudz pusvadītāju ražošanas procesu, un tiek teikts, ka soļu ir simtiem vai pat tūkstošiem. Tas nav pārspīlēts. Rūpnīca ar miljardu dolāru investīcijām var veikt tikai nelielu procesa daļu. Šādam sarežģītam procesam šis raksts tiks sadalīts piecās galvenajās kategorijās, lai izskaidrotu: vafeļu ražošana, fotolitogrāfija un kodināšana, jonu implantācija, plānās kārtiņas nogulsnēšanās, kā arī iepakošana un testēšana.
1. Pusvadītāju ražošanas process - vafeļu izgatavošana
Vafeļu ražošanu var iedalīt šādos 5 galvenajos procesos:
(1) Kristāla vilkšana
◈ Leģēts polisilīcijs tiek izkausēts 1400 grādos
◈ Ievadiet augstas tīrības pakāpes argona inerto gāzi
◈ Ievietojiet monokristāla silīcija "sēklu" kausējumā un lēnām pagrieziet to, kad tas ir "izvilkts".
◈ Viena kristāla lietņa diametru nosaka temperatūra un ekstrakcijas ātrums
(2) Vafeļu sagriešanai izmanto precīzu "zāģi", lai sagrieztu silīcija stieņu atsevišķās plāksnēs.
(3) Vafeļu pārklāšana, kodināšana
◈ Sagrieztās vafeles tiek mehāniski samaltas, izmantojot rotācijas dzirnaviņas un alumīnija oksīda vircu, lai padarītu vafeļu virsmu līdzenu un paralēlu un samazinātu mehāniskos defektus.
◈ Pēc tam vafeles tiek iegravētas nitrētās skābes/etiķskābes šķīdumā, lai novērstu mikroskopiskas plaisas vai virsmas bojājumus, kam seko virkne augstas tīrības pakāpes RO/DI ūdens vannu.
(4) Vafeļu pulēšana un tīrīšana
◈ Pēc tam vafeles tiek pulētas virknē ķīmisku un mehānisku pulēšanas procesu, ko sauc par CMP (ķīmisko mehānisko pulēšanu). ◈ Pulēšanas process parasti ietver divus līdz trīs pulēšanas posmus, izmantojot arvien smalkākas putras, un starpposma tīrīšanu, izmantojot RO/DI ūdeni. ◈ Galīgo tīrīšanu veic, izmantojot SC1 šķīdumu (amonjaku, ūdeņraža peroksīdu un RO/DI ūdeni), lai noņemtu organiskos piemaisījumus un daļiņas. Pēc tam HF tiek izmantots, lai noņemtu dabiskos oksīdus un metālu piemaisījumus, un visbeidzot, SC2 šķīdums ļauj uz virsmas augt īpaši tīriem jauniem dabīgiem oksīdiem. (5) Vafeļu epitaksiālā apstrāde
◈ Epitaksiālo augšanu (EPI) izmanto, lai augstā temperatūrā audzētu vienkristāliskā silīcija slāni no tvaikiem uz vienkristāliskā silīcija substrāta.
◈ Vienkristāliskā silīcija slāņa audzēšanas procesu no tvaika fāzes sauc par tvaika fāzes epitaksiju (VPE).
SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl
SiCl4 (silīcija tetrahlorīds)
Reakcija ir atgriezeniska, ti, ja pievieno HCl, silīcijs tiks izgravēts no vafeles virsmas.
Cita reakcija uz Si ģenerēšanu ir neatgriezeniska: SiH4 → Si + 2H2 (silāns)
◈ EPI augšanas mērķis ir veidot uz pamatnes slāņus ar atšķirīgu (parasti zemāku) elektriski aktīvo dopantu koncentrāciju. Piemēram, N veida slānis uz P veida vafeles.
◈ Apmēram 3% no vafeles biezuma.
◈ Nav piesārņojuma nākamajām tranzistoru struktūrām.
2. Pusvadītāju ražošanas process – fotolitogrāfija Pēdējos gados daudz pieminētā fotolitogrāfijas iekārta ir tikai viena no daudzajām procesa iekārtām. Pat fotolitogrāfijai ir daudz procesa posmu un aprīkojuma.
(1) Fotorezista pārklājums
Fotorezists ir gaismjutīgs materiāls. Vafelei pievieno nelielu daudzumu fotorezista šķidruma. Vafele tiek pagriezta ar ātrumu no 1000 līdz 5000 apgr./min., izkliedējot fotorezistu vienmērīgā pārklājumā, kura biezums ir no 2 līdz 200 um. Ir divu veidu fotorezisti: negatīvie un pozitīvie. Pozitīvi: gaismas iedarbība var nojaukt sarežģīto molekulāro struktūru, padarot to viegli šķīstošu. Negatīvs: iedarbība padara molekulāro struktūru sarežģītāku un grūtāk izšķīdināmu. Katrā fotolitogrāfijas posmā ir šādas darbības; ◈ Notīriet vafeles ◈ Nogulsnējiet barjeras slāni SiO2, Si3N4, metāls ◈ Uzklājiet fotorezistu ◈ Mīkstu cepšanu ◈ Izlīdziniet masku ◈ Grafiskā ekspozīcija ◈ Izstrāde ◈ Cept ◈ Kodināt ◈ Noņemiet fotorezistu (2) Raksta sagatavošana IC programmatūra, lai izstrādātu modeli CAD sagatavošana. no katra slāņa. Pēc tam modelis tiek pārnests uz optiski caurspīdīgu kvarca substrātu (veidni) ar modeli, izmantojot lāzera raksta ģeneratoru vai elektronu staru.
(3) Raksta pārnešana (ekspozīcija) Šeit tiek izmantota fotolitogrāfijas iekārta, lai projicētu un kopētu paraugu no veidnes uz mikroshēmas slāni.
(4) Attīstīšana un cepšana ◈ Pēc ekspozīcijas vafele tiek attīstīta skābes vai sārma šķīdumā, lai noņemtu fotorezista atklātās vietas. ◈ Kad eksponētais fotorezists ir noņemts, vafele tiek "cepta" zemā temperatūrā, lai sacietētu atlikušais fotorezists.
3. Pusvadītāju ražošanas procesi – kodināšana un jonu implantācija (1) Mitrā un sausā kodināšana ◈ Ķīmiskā kodināšana tiek veikta uz lielas mitras platformas. ◈ Lai noņemtu noteiktas dažādu materiālu zonas, tiek izmantoti dažāda veida skābes, bāzes un kodīgi šķīdumi. ◈ BOE jeb buferētā oksīda kodinātājs ir izgatavots no fluorūdeņražskābes, kas buferēts ar amonija fluorīdu, un tiek izmantots silīcija dioksīda noņemšanai, nekodinot apakšējo silīcija vai polisilīcija slāni. ◈ Fosforskābi izmanto silīcija nitrīda slāņu kodināšanai. ◈ Slāpekļskābi izmanto metālu kodināšanai. ◈ Fotorezistu noņem ar sērskābi. ◈ Sausai kodināšanai vafele tiek ievietota kodināšanas kamerā un iegravēta ar plazmu. ◈ Personāla drošība ir galvenā problēma. ◈ Daudzos ražotnēs kodināšanas procesa veikšanai tiek izmantotas automatizētas iekārtas. (2) Izturieties pret noņemšanu
Pēc tam fotorezists tiek pilnībā noņemts no vafeles, atstājot uz vafeles oksīda rakstu.
(3) Jonu implantācija
◈ Jonu implantācija maina precīzu laukumu elektriskās īpašības esošajos vafeles slāņos.
◈ Jonu implantētāji izmanto augstas strāvas akseleratora caurules un stūrēšanas un fokusēšanas magnētus, lai bombardētu vafeļu virsmu ar īpašu piedevu joniem.
◈ Oksīds darbojas kā barjera, kamēr dopinga ķimikālijas nogulsnējas uz virsmas un izkliedējas virsmā.
◈ Silīcija virsma tiek uzkarsēta līdz 900 grādiem atkvēlināšanai, un implantētie dopanta joni tālāk izkliedējas silīcija plāksnē.
4. Pusvadītāju ražošanas process — plānslāņa pārklājums
Ir daudz plānu kārtiņu nogulsnēšanas veidu un satura, kas ir izskaidroti pa vienam tālāk: (1) Silīcija oksīds
Kad silīcijs ir skābeklī, SiO2 augs termiski. Skābeklis nāk no skābekļa vai ūdens tvaikiem. Apkārtējās vides temperatūrai jābūt 900–1200 grādiem. Ķīmiskā reakcija, kas notiek, ir
Si + O2 → SiO2
Si +2H2O ->SiO2 + 2H2
Silīcija vafeles virsma pēc selektīvās oksidācijas ir parādīta attēlā zemāk:
Gan skābeklis, gan ūdens izkliedējas caur esošo SiO2 un savienojas ar Si, veidojot papildu SiO2. Ūdens (tvaiki) izkliedējas vieglāk nekā skābeklis, tāpēc tvaiki aug daudz ātrāk.
Oksīdu izmanto, lai nodrošinātu izolācijas un pasivācijas slāni, lai izveidotu tranzistora vārtus. Sausais skābeklis tiek izmantots, lai izveidotu vārtu un plānu oksīda slāni. Tvaiki tiek izmantoti, lai izveidotu biezu oksīda slāni. Izolācijas oksīda slānis parasti ir aptuveni 1500 nm, un vārtu slānis parasti ir no 200 nm līdz 500 nm.
(2) Ķīmiskā tvaiku pārklāšana
Ķīmiskā tvaiku pārklāšana (CVD) veido plānu plēvi uz substrāta virsmas termiskās sadalīšanās un/vai gāzveida savienojumu reakcijas rezultātā.
Ir trīs CVD reaktoru pamatveidi: ◈ Atmosfēras ķīmiskā tvaiku nogulsnēšanās
◈ Zema spiediena CVD (LPCVD)
◈ Plazmas uzlabots CVD (PECVD)
Zema spiediena CVD procesa shematiskā diagramma ir parādīta zemāk.
Galvenie CVD reakcijas procesi ir šādi
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->Si + 2h2 (600 grādi)
Nogulsnēšanās ātrums 100 - 200 nm/min
Var pievienot fosforu (fosfīnu), boru (diborānu) vai arsēna gāzi. Polisilīciju pēc nogulsnēšanās var arī leģēt ar difūzijas gāzi.
ii). Silīcija dioksīds Dioksīds
SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 grāds)
SiO2 izmanto kā izolatoru vai pasivācijas slāni. Fosforu parasti pievieno, lai iegūtu labāku elektronu plūsmas veiktspēju.
iii). Silīcija nitrīds Siicon Nitrīds
3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2
(silāns) (amonjaks) (nitrīds)
(3) Izsmidzināšana
Mērķis tiek bombardēts ar augstas enerģijas joniem, piemēram, Ar +, un mērķa atomi tiks pārvietoti un transportēti uz substrātu.
Kā mērķi var izmantot tādus metālus kā alumīnijs un titāns. (4) Iztvaikošana
Al vai Au (zelts) tiek uzkarsēts līdz iztvaikošanas punktam, un tvaiki kondensējas un veidos plānu plēvi, kas pārklāj vafeles virsmu.
Nākamajā piemērā tiks detalizēti izskaidrots, kā ķēde uz silīcija plāksnītes tiek veidota soli pa solim no fotolitogrāfijas, kodināšanas līdz jonu nogulsnēšanai:
5. Pusvadītāju ražošanas process — iepakojuma pārbaude (pēcapstrāde)
(1) Plāksnīšu tests Pēc galīgās ķēdes sagatavošanas pabeigšanas plāksnītes testa ierīces tiek pārbaudītas, izmantojot automatizētu zondes pārbaudes metodi, lai noņemtu bojātos produktus.
(2) Vafeļu griešana kubiņos Pēc zondes pārbaudes vafele tiek sagriezta atsevišķās čipsos.
(3) Elektroinstalācija un iepakojums ◈ Atsevišķas mikroshēmas ir savienotas ar svina rāmi, un alumīnija vai zelta vadi ir savienoti ar termisko kompresiju vai ultraskaņas metināšanu. ◈ Iepakošana tiek pabeigta, aizzīmogojot ierīci keramikas vai plastmasas iepakojumā. ◈ Lielākajai daļai mikroshēmu joprojām ir jāveic galīgā funkcionālā pārbaude, pirms tās tiek nosūtītas pakārtotajiem lietotājiem.
