Fremstilling av halvlederkomponenter involverer en rekke komplekse produksjonsprosesser for å transformere råmaterialer til ferdige komponenter for ulike applikasjoner som gir kritiske kontroll- og sensingsfunksjoner.
Halvlederproduksjon involverer en rekke komplekse prosesser for å transformere råmaterialer til ferdige komponenter. Fremstillingsprosessen for halvledere inkluderer generelt fire hovedtrinn: wafer-produksjon, wafer-testsammenstilling eller -emballasje og slutttesting. Hvert stadium har sine egne unike utfordringer og muligheter.
Halvlederproduksjonsprosessen står også overfor mange utfordringer, inkludert kostnader, kompleksitet, mangfold og utbytte, men gir også store muligheter for innovasjon og utvikling. Ved å ta tak i vanskelighetene og gripe mulighetene, kan vi fremme utviklingen av nye teknologier for å endre måten vi lever og jobber på, samtidig som vi gjør det mulig for industrien å fortsette å utvikle seg og vokse.
一. Oversikt over halvlederproduksjonsprosessen
Prosessen med å produsere halvledere kan deles inn i følgende nøkkeltrinn.
1. Tilberedning av wafer
Silisiumskiver velges som utgangsmateriale for halvlederprosessen. Skivene rengjøres, poleres og klargjøres for bruk som underlag for produksjon av elektroniske komponenter.
2. Mønstring
I denne prosessen lages mønstre på silisiumskiver ved hjelp av en prosess som kalles fotolitografi. Et lag med korrosjonsbestandig fotoresist påføres overflaten av waferen, og deretter plasseres en maske på toppen av waferen. Masken har et mønster som tilsvarer de aktuelle ferdigproduserte elektroniske komponentene. Mønsteret overføres deretter fra masken til fotoresistlaget ved bruk av ultrafiolett lys. De eksponerte fotoresistområdene fjernes deretter, og etterlater en mønstret overflate på waferen.
3. Materialdoping
I dette trinnet tilsettes materialer til silisiumplaten for å endre dens elektriske egenskaper. De mest brukte materialene er bor eller fosfor, som kan tilsettes i små mengder for å produsere henholdsvis p-type eller n-type halvledere. Disse materialene implanteres inn i overflaten av waferen ved hjelp av ioneakselerasjon i en prosess som kalles ioneimplantasjon.
4. Wafer-avsetningsbehandling
Under denne prosessen blir tynnfilmmaterialer avsatt på en wafer for å lage elektroniske komponenter. Dette kan oppnås gjennom en rekke teknikker, inkludert kjemisk dampavsetning (CVD), fysisk dampavsetning (PVD) og atomlagsavsetning (ALD). Disse prosessene kan brukes til å avsette materialer som metaller, oksider og nitrider.
5. Etsning
Fjerning av en del av materialet fra overflaten av waferen for å produsere formen og strukturen som kreves for den elektroniske komponenten. Etsing kan utføres ved hjelp av en rekke teknikker, inkludert våtetsing, tørretsing og plasmaetsing. Disse prosessene bruker kjemikalier eller plasma for å selektivt fjerne spesifikke materialer fra waferen.
6. Emballasje
Elektroniske komponenter pakkes inn i et sluttprodukt som kan brukes i elektroniske enheter. Dette inkluderer å koble komponentene til et underlag som et trykt kretskort, og deretter koble dem til andre komponenter ved hjelp av ledninger eller andre midler. Halvlederprosesser er svært komplekse og involverer en rekke spesialisert utstyr og materialer. Disse prosessene er avgjørende for produksjon av moderne elektroniske enheter og fortsetter å utvikle seg med gjentakelse av nye teknologier.
Vanligvis tar prosessen med å produsere halvlederbrikker fra noen uker til noen måneder. Fra det første trinnet må en silisiumplate produseres for å tjene som substrat for brikken. Denne prosessen inkluderer vanligvis følgende prosesser, rengjøring, deponering, litografi, etsing og doping. Waferen må kanskje gjennomgå hundrevis av forskjellige prosessoperasjoner, så hele produksjonsprosessen for wafer kan ta opptil 16-18 uker.
Når de enkelte brikkene er produsert på waferen, må de separeres og pakkes inn i individuelle enheter. Dette inkluderer også å teste hver brikke for å sikre at den oppfyller spesifikasjonene, og deretter skille den fra waferen og montere den på pakken eller underlaget. Etter at brikkene er pakket, vil de gå gjennom en streng testprosess for å sikre at de oppfyller kvalitetsstandarder og oppnår de forventede funksjonene. Dette inkluderer å kjøre elektroniske tester, funksjonstester og andre typer verifiseringstester for å identifisere eventuelle feil eller problemer. Dette avhenger også av kompleksiteten til brikken og de nødvendige testkravene, så denne pakke- og testprosessen kan ta 8-10 uker.
Alt i alt kan hele prosessen med å produsere halvlederbrikker ta flere uker eller måneder, fordi det avhenger av de relevante teknologiene som brukes og kompleksiteten til brikkedesignet.
2. Trender og utfordringer i halvlederproduksjon
1. Mønsteroverføring
Fremskritt innen mønsteroverføringsteknologi har blitt en nøkkeldriver for den raske utviklingen av halvlederindustrien, noe som muliggjør produksjon av mindre og mer komplekse elektroniske komponenter.
Et stort fremskritt innen mønsteroverføringsteknologi er utviklingen av avansert litografi, som er prosessen med å overføre mønstre til et medium ved hjelp av lys eller andre strålingskilder. Spesielt litografiteknologier utviklet de siste årene, slik som ekstrem ultrafiolett (EUV) litografi og multippelmønsterteknologi, brukes til å produsere mindre og mer kompleks grafikk.
EUV litografi bruker ekstremt kortbølgelengde lysstråler for å lage ekstremt presise mønstre på silisiumskiver. Denne teknologien kan lage størrelser så små som noen få nanometer, noe som er avgjørende for produksjon av avanserte elektroniske komponenter som mikroprosessorer.
Multiple patterning er en annen litografiteknologi som kan lage mindre mønstre. Denne teknologien innebærer å bryte ned et enkelt mønster i flere mikropolare mønstre og deretter overføre dem til overflaten av waferen. Som et resultat kan det opprettede mønsteret være mindre enn bølgelengden til stråling som brukes i litografi.
2. Doping
Dopingmidler er tilsetning av spesifikke medier til silisiumskiver for å endre deres elektriske egenskaper. Fremskritt innen dopingteknologi har vært en nøkkelfaktor i den raske utviklingen av halvlederindustrien. Denne teknologiske utviklingen skyldes fremveksten av nye dielektriske materialer.
Tradisjonelt er bor og fosfor de mest brukte dopingmaterialene fordi de kan produsere henholdsvis p-type og n-type halvledere. De siste årene har imidlertid nye materialer som germanium, arsen og antimon blitt utviklet og kan brukes til å produsere mer komplekse elektroniske komponenter.
Et annet fremskritt innen dopingteknologi er utviklingen av mer presise dopingprosesser. Tidligere var ioneimplantasjon den viktigste teknologien som ble brukt til doping, som involverte bruk av høyhastighetsioner for å implantere dielektrikum i overflaten av waferen. Selv om ioneimplantasjon fortsatt er vanlig i bruk, har nye teknologier som molekylær stråleepitaksi (MBE) og kjemisk dampavsetning (CVD) blitt utviklet for å muliggjøre mer presis kontroll av dopingprosessen.
3. Deponering
Avsetning er en annen nøkkelprosess i halvlederproduksjon, som innebærer avsetning av en tynn film av materiale på et underlag. Denne prosessen kan oppnås gjennom ulike teknologier, for eksempel fysisk dampavsetning (PVD), kjemisk dampavsetning (CVD), atomlagsavsetning (ALD), etc.
Samtidig utvikles det også stadig nye teknologier, inkludert metallorganisk kjemisk dampavsetning (MOCVD), plasmaforsterket avsetning, rull-til-rull-avsetning, etc.
4. Etsning
Etsing innebærer å fjerne spesifikke deler av halvledermaterialer for å lage mønstre eller strukturer. Fremskritt innen etseteknologi er hovedårsaken til den raske utviklingen av halvlederindustrien og er også en nøkkelteknologi for å produsere mindre og mer komplekse elektroniske komponenter.
Tidligere var våtetsing hovedteknologien som ofte ble brukt, som innebærer å senke waferen i en løsning som løser opp materialet. Våtetsing er imidlertid ikke presis og kan forårsake skade på tilstøtende strukturer.
Fremveksten av tørr-etsingsteknologi har muliggjort mer presis og svært kontrollerbar etseproduksjon, slik som reaktiv ionetsing (RIE) og plasmaetsing. RIE er en teknologi som bruker reaktive ioner for å selektivt fjerne materiale fra en wafer, noe som tillater presis kontroll av etseprosessen.
Plasma-etsing er en lignende teknologi som bruker gassplasma for å fjerne materiale, men den har den ekstra fordelen at den selektivt fjerner spesifikke materialer, for eksempel metaller eller silisium.
5. Emballasje
Pakkeprosessen i halvlederproduksjon innebærer å kapsle inn en integrert krets i et beskyttende kabinett som også gir elektriske forbindelser til omverdenen. Pakkeprosessen påvirker ytelsen, påliteligheten og kostnadene til sluttproduktet.
3D-pakking innebærer å stable flere brikker sammen for å lage integrerte kretser med høy tetthet. Denne teknologien kan redusere den totale størrelsen på enheten og forbedre ytelsen samtidig som den reduserer strømforbruket.
Fan-out-emballasje er en teknologi som bygger inn integrerte kretser i et lag av epoksystøpemasse, ved å bruke kobbersøyler viftet ut fra brikken for elektriske tilkoblinger. Denne teknologien muliggjør emballasje med høy tetthet i en mindre størrelse.
System-in-Package (SiP) er en annen teknologi som integrerer flere brikker, sensorer og andre komponenter i en enkelt pakke. Det kan redusere den totale størrelsen på enheten samtidig som det forbedrer dens generelle ytelse.
