Prosessflyt for brikkeproduksjon. Detaljert forklaring med bilder og tekst.

Chipproduksjon er den mest komplekse prosessen i verden i dag. Dette er en kompleks prosess fullført av mange toppbedrifter. Denne artikkelen forsøker å oppsummere denne prosessen og gi en omfattende og generell beskrivelse av denne komplekse prosessen.
Det er mange produksjonsprosesser for halvledere, og det sies at det er hundrevis eller til og med tusenvis av trinn. Dette er ikke en overdrivelse. En fabrikk med en milliardinvestering gjør kanskje bare en liten del av prosessen. For en så kompleks prosess vil denne artikkelen bli delt inn i fem hovedkategorier for forklaring: waferproduksjon, fotolitografi og etsing, ioneimplantasjon, tynnfilmavsetning og pakking og testing.
1. Fremstillingsprosess for halvledere - produksjon av wafer
Wafer-produksjon kan deles inn i følgende 5 hovedprosesser:
(1) Krystalltrekking

◈ Dopet polysilisium smeltes ved 1400 grader
◈ Injiser argon inert gass med høy renhet
◈ Plasser enkeltkrystall silisium "frø" i smelten og roter det sakte når det "trekkes ut".
◈ Diameteren til enkeltkrystallblokken bestemmes av temperaturen og ekstraksjonshastigheten
(2) Wafer-skjæring bruker en presisjons-"sag" for å kutte silisiumblokken i individuelle wafere.

(3) Wafer lapping, etsing

◈ Skiveskivene males mekanisk ved hjelp av en roterende kvern og aluminiumoksydslurry for å gjøre waferoverflaten flat og parallell og redusere mekaniske defekter.

◈ Skivene blir deretter etset i en nitrert syre/eddiksyreløsning for å fjerne mikroskopiske sprekker eller overflateskader, etterfulgt av en serie RO/DI-vannbad med høy renhet.
(4) Wafer polering og rengjøring
◈ Deretter blir skivene polert i en serie kjemiske og mekaniske poleringsprosesser kalt CMP (Chemical Mechanical Polish). ◈ Poleringsprosessen inkluderer vanligvis to til tre poleringstrinn ved bruk av stadig finere oppslemminger og mellomliggende rengjøring med RO/DI-vann. ◈ En sluttrengjøring utføres med SC1-løsning (ammoniakk, hydrogenperoksid og RO/DI-vann) for å fjerne organiske urenheter og partikler. Deretter brukes HF til å fjerne native oksider og metallurenheter, og til slutt lar SC2-løsning ultra-rene nye native oksider vokse på overflaten. (5) Wafer epitaksial prosessering

◈ Epitaksial vekst (EPI) brukes til å dyrke et lag av enkeltkrystallinsk silisium fra damp til et enkeltkrystallinsk silisiumsubstrat ved høye temperaturer.
◈ Prosessen med å dyrke et enkeltkrystallinsk silisiumlag fra dampfasen kalles dampfaseepitaksi (VPE).
SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl
SiCl4 (silisiumtetraklorid)
Reaksjonen er reversibel, dvs. hvis HCl tilsettes vil silisium etses ut fra overflaten av waferen.
En annen reaksjon for å generere Si er irreversibel: SiH4 → Si + 2H2 (silan)
◈ Hensikten med EPI-vekst er å danne lag med forskjellige (vanligvis lavere) konsentrasjoner av elektrisk aktive dopingmidler på underlaget. For eksempel et N-type lag på en P-type wafer.
◈ Omtrent 3 % av wafertykkelsen.
◈ Ingen forurensning til påfølgende transistorstrukturer.

2. Fremstillingsprosess for halvledere - Fotolitografi Fotolitografimaskinen, som har vært mye omtalt de siste årene, er bare ett av mange prosessutstyr. Selv fotolitografi har mange prosesstrinn og utstyr.
(1) Fotoresistbelegg

Fotoresist er et fotosensitivt materiale. En liten mengde fotoresistvæske tilsettes waferen. Waferen roteres med en hastighet på 1000 til 5000 RPM, og sprer fotoresisten til et jevnt belegg på 2 til 200um tykt. Det finnes to typer fotoresister: negative og positive. Positivt: Eksponering for lys kan bryte ned den komplekse molekylstrukturen, noe som gjør den lett å løse opp. Negativt: Eksponering gjør molekylstrukturen mer kompleks og vanskeligere å løse opp. Trinnene involvert i hvert fotolitografitrinn er som følger; ◈ Rengjør waferen ◈ Avsetningsbarrierelag SiO2, Si3N4, metall ◈ Påfør fotoresist ◈ Myk baking ◈ Juster maske ◈ Grafisk eksponering ◈ Utvikling ◈ Bake ◈ Etse ◈ Fjern fotoresist (2) Mønster Forberedelse av programvare design CAD Mønster Forberedelse Mønster av hvert lag. Mønsteret overføres deretter til et optisk transparent kvartssubstrat (mal) med mønsteret ved hjelp av en lasermønstergenerator eller elektronstråle.

(3) Mønsteroverføring (eksponering) Her brukes en fotolitografimaskin for å projisere og kopiere mønsteret fra malen over på brikkelaget.

(4) Fremkalling og baking ◈ Etter eksponering fremkalles waferen i en sur eller alkalisk løsning for å fjerne de eksponerte områdene av fotoresisten. ◈ Når den eksponerte fotoresisten er fjernet, "bakes" waferen ved lav temperatur for å herde den gjenværende fotoresisten.

3. Fremstillingsprosesser for halvledere - Etsing og ioneimplantasjon (1) Våt og tørr etsing ◈ Kjemisk etsing utføres på en stor våt plattform. ◈ Ulike typer syre-, base- og kaustiske løsninger brukes til å fjerne utvalgte områder med forskjellige materialer. ◈ BOE, eller bufret oksid-etsemiddel, er laget av flussyre bufret med ammoniumfluorid og brukes til å fjerne silisiumdioksid uten å etse det underliggende silisium- eller polysilisiumlaget. ◈ Fosforsyre brukes til å etse silisiumnitridlag. ◈ Salpetersyre brukes til å etse metaller. ◈ Fotoresist fjernes med svovelsyre. ◈ For tørretsing plasseres waferen i et etsekammer og etses med plasma. ◈ Personellsikkerhet er et hovedanliggende. ◈ Mange fabrikker bruker automatisert utstyr for å utføre etseprosessen. (2) Motstå stripping
Fotoresisten fjernes deretter fullstendig fra waferen, og etterlater et oksidmønster på waferen.

(3) Ioneimplantasjon
◈ Ioneimplantasjon endrer de elektriske egenskapene til nøyaktige områder innenfor eksisterende lag på waferen.
◈ Ioneimplantater bruker høystrømsakseleratorrør og styre- og fokuseringsmagneter for å bombardere waferoverflaten med ioner av spesifikke dopingstoffer.
◈ Oksydet fungerer som en barriere mens dopingkjemikaliene avsettes på overflaten og diffunderer inn i overflaten.
◈ Silisiumoverflaten varmes opp til 900 grader for gløding, og de implanterte dopingionene diffunderer videre inn i silisiumplaten.

4. Semiconductor Manufacturing Process - Tynnfilmavsetning
Det er mange måter og innhold for tynnfilmavsetning, som er forklart én etter én nedenfor: (1) Silisiumoksid
Når silisium finnes i oksygen, vil SiO2 vokse termisk. Oksygen kommer fra oksygen eller vanndamp. Det kreves at omgivelsestemperaturen er 900 ~ 1200 grader. Den kjemiske reaksjonen som oppstår er
Si + O2 → SiO2
Si +2H2O ->SiO2 + 2H2
Overflaten til silisiumplaten etter selektiv oksidasjon er vist i figuren nedenfor:

Både oksygen og vann diffunderer gjennom den eksisterende SiO2 og kombineres med Si for å danne ytterligere SiO2. Vann (damp) diffunderer lettere enn oksygen, så dampen vokser mye raskere.
Oksyd brukes til å gi et isolerende og passiveringslag for å danne transistorporten. Tørr oksygen brukes til å danne porten og tynt oksidlag. Damp brukes til å danne et tykt oksidlag. Det isolerende oksidlaget er vanligvis rundt 1500nm, og portlaget er vanligvis mellom 200nm og 500nm.
(2) Kjemisk dampavsetning

Kjemisk dampavsetning (CVD) danner en tynn film på overflaten av et substrat gjennom termisk dekomponering og/eller reaksjon av gassformige forbindelser.
Det er tre grunnleggende typer CVD-reaktorer: ◈ Atmosfærisk kjemisk dampavsetning
◈ Lavtrykk CVD (LPCVD)
◈ Plasmaforsterket CVD (PECVD)
Det skjematiske diagrammet over lavtrykks CVD-prosessen er vist nedenfor.

De viktigste reaksjonsprosessene til CVD er som følger
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->Si + 2h2 (600 grader)
Avsetningshastighet 100 - 200 nm/min
Fosfor (fosfin), bor (diboran) eller arsenikkgass kan tilsettes. Polysilisium kan også dopes med diffusjonsgass etter avsetning.
ii). Silisiumdioksid Dioksid
SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 grader)
SiO2 brukes som isolator eller passiveringslag. Fosfor tilsettes vanligvis for å oppnå bedre elektronstrømytelse.
iii). Silisiumnitrid Siikonnitrid
3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2
(Silan) (ammoniakk) (nitrid)
(3) Sputtering
Målet bombarderes med høyenergi-ioner som Ar+, og atomene i målet vil bli flyttet og transportert til substratet.
Metaller som aluminium og titan kan brukes som mål. (4) Fordampning
Al eller Au (gull) varmes opp til fordampningspunktet, og dampen vil kondensere og danne en tynn film som dekker overflaten av waferen.
Følgende eksempel vil forklare i detalj hvordan kretsen på silisiumplaten dannes trinn for trinn fra fotolitografi, etsing til ioneavsetning:

5. Semiconductor Manufacturing Process - Emballasjetest (etterbehandling)
(1) Wafertest Etter at den endelige kretsforberedelsen er fullført, testes testenhetene på waferen ved å bruke en automatisert probetestmetode for å fjerne defekte produkter.
(2) Disking av skiver Etter sondetesten kuttes waferen i individuelle chips.
(3) Kabling og emballasje ◈ Individuelle brikker er koblet til ledningsrammen, og aluminiums- eller gullledninger kobles til ved termisk kompresjon eller ultralydsveising. ◈ Pakking fullføres ved å forsegle enheten i en keramikk- eller plastpakke. ◈ De fleste brikker må fortsatt gjennomgå endelig funksjonstesting før de sendes til nedstrømsbrukere.