Μια πλήρης εξήγηση της διαδικασίας κατασκευής τσιπ (1/2): από γκοφρέτα στη συσκευασία και τη δοκιμή

Η κατασκευή κάθε προϊόντος ημιαγωγών απαιτεί εκατοντάδες διαδικασίες και ολόκληρη η διαδικασία κατασκευής χωρίζεται σε οκτώ βήματα:επεξεργασία γκοφρέτας - οξείδωση - φωτολιθογραφία - χαλκογραφία - εναπόθεση λεπτής μεμβράνης - ενδοσύνδεση - δοκιμές - συσκευασία.

Βήμα 1:Επεξεργασία γκοφρέτας

Όλες οι διεργασίες ημιαγωγών ξεκινούν με έναν κόκκο άμμου! Επειδή το πυρίτιο που περιέχεται στην άμμο είναι η πρώτη ύλη που απαιτείται για την παραγωγή γκοφρετών. Οι γκοφρέτες είναι στρογγυλές φέτες κομμένες από μονοκρυσταλλικούς κυλίνδρους κατασκευασμένους από πυρίτιο (Si) ή αρσενικό γάλλιο (GaAs). Για την εξαγωγή υλικών πυριτίου υψηλής καθαρότητας, χρειάζεται πυριτική άμμος, ένα ειδικό υλικό με περιεκτικότητα σε διοξείδιο του πυριτίου έως και 95%, που είναι και η κύρια πρώτη ύλη για την παρασκευή γκοφρετών. Η επεξεργασία γκοφρέτας είναι η διαδικασία παρασκευής των παραπάνω γκοφρετών.

Χύτευση πλινθωμάτων

Αρχικά, η άμμος πρέπει να θερμανθεί για να διαχωριστεί το μονοξείδιο του άνθρακα και το πυρίτιο σε αυτήν και η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι να ληφθεί πυρίτιο ηλεκτρονικής ποιότητας εξαιρετικά υψηλής καθαρότητας (EG-Si). Το πυρίτιο υψηλής καθαρότητας τήκεται σε υγρό και στη συνέχεια στερεοποιείται σε μια μονοκρυσταλλική στερεή μορφή, που ονομάζεται "πλίνθωμα", που είναι το πρώτο βήμα στην κατασκευή ημιαγωγών.

Η ακρίβεια κατασκευής των πλινθωμάτων πυριτίου (πυλώνες πυριτίου) είναι πολύ υψηλή, αγγίζοντας το επίπεδο νανομέτρων και η ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος κατασκευής είναι η μέθοδος Czochralski.

Κοπή πλινθωμάτων

Αφού ολοκληρωθεί το προηγούμενο βήμα, είναι απαραίτητο να κόψετε τις δύο άκρες του πλινθώματος με ένα πριόνι διαμαντιού και στη συνέχεια να το κόψετε σε λεπτές φέτες συγκεκριμένου πάχους. Η διάμετρος της φέτας πλινθώματος καθορίζει το μέγεθος της γκοφρέτας. Οι μεγαλύτερες και λεπτότερες γκοφρέτες μπορούν να χωριστούν σε πιο εύχρηστες μονάδες, γεγονός που συμβάλλει στη μείωση του κόστους παραγωγής. Μετά την κοπή του πλινθώματος πυριτίου, είναι απαραίτητο να προσθέσετε σημάδια "επίπεδης επιφάνειας" ή "βαθουλώματος" στις φέτες για να διευκολύνετε τον καθορισμό της κατεύθυνσης επεξεργασίας ως πρότυπο στα επόμενα βήματα.

Γυάλισμα επιφάνειας γκοφρέτας

Οι φέτες που λαμβάνονται με την παραπάνω διαδικασία κοπής ονομάζονται «γκοφρέτες γυμνές», δηλαδή ακατέργαστες «ακατέργαστες γκοφρέτες». Η επιφάνεια της γυμνής γκοφρέτας είναι ανομοιόμορφη και το μοτίβο του κυκλώματος δεν μπορεί να εκτυπωθεί απευθείας πάνω της. Επομένως, είναι απαραίτητο να αφαιρέσετε πρώτα τα ελαττώματα της επιφάνειας μέσω διεργασιών λείανσης και χημικής χάραξης, στη συνέχεια γυαλίστε για να σχηματίσετε μια λεία επιφάνεια και, στη συνέχεια, αφαιρέστε τους υπολειμματικούς ρύπους μέσω καθαρισμού για να αποκτήσετε μια τελική γκοφρέτα με καθαρή επιφάνεια.

Βήμα 2: Οξείδωση

Ο ρόλος της διαδικασίας οξείδωσης είναι να σχηματίσει ένα προστατευτικό φιλμ στην επιφάνεια της γκοφρέτας. Προστατεύει τη γκοφρέτα από χημικές ακαθαρσίες, αποτρέπει την είσοδο ρεύματος διαρροής στο κύκλωμα, αποτρέπει τη διάχυση κατά την εμφύτευση ιόντων και αποτρέπει την ολίσθηση της γκοφρέτας κατά τη χάραξη.

Το πρώτο βήμα της διαδικασίας οξείδωσης είναι η αφαίρεση ακαθαρσιών και ρύπων. Απαιτούνται τέσσερα βήματα για την απομάκρυνση της οργανικής ύλης, των μεταλλικών ακαθαρσιών και την εξάτμιση του υπολειμματικού νερού. Μετά τον καθαρισμό, η γκοφρέτα μπορεί να τοποθετηθεί σε περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας από 800 έως 1200 βαθμούς Κελσίου και σχηματίζεται ένα στρώμα διοξειδίου του πυριτίου (δηλαδή «οξείδιο») από τη ροή οξυγόνου ή ατμού στην επιφάνεια της γκοφρέτας. Το οξυγόνο διαχέεται μέσω του στρώματος οξειδίου και αντιδρά με το πυρίτιο για να σχηματίσει ένα στρώμα οξειδίου διαφορετικού πάχους και το πάχος του μπορεί να μετρηθεί μετά την ολοκλήρωση της οξείδωσης.

Ξηρή οξείδωση και υγρή οξείδωση Ανάλογα με τα διαφορετικά οξειδωτικά στην αντίδραση οξείδωσης, η διαδικασία θερμικής οξείδωσης μπορεί να χωριστεί σε ξηρή και υγρή οξείδωση. Το πρώτο χρησιμοποιεί καθαρό οξυγόνο για να παράγει ένα στρώμα διοξειδίου του πυριτίου, το οποίο είναι αργό αλλά το στρώμα οξειδίου είναι λεπτό και πυκνό. Το τελευταίο απαιτεί τόσο οξυγόνο όσο και πολύ διαλυτούς υδρατμούς, οι οποίοι χαρακτηρίζονται από γρήγορο ρυθμό ανάπτυξης αλλά ένα σχετικά παχύ προστατευτικό στρώμα με χαμηλή πυκνότητα.

Εκτός από το οξειδωτικό, υπάρχουν και άλλες μεταβλητές που επηρεάζουν το πάχος του στρώματος του διοξειδίου του πυριτίου. Πρώτον, η δομή του πλακιδίου, τα ελαττώματα της επιφάνειας και η εσωτερική συγκέντρωση ντόπινγκ θα επηρεάσουν τον ρυθμό δημιουργίας στρώματος οξειδίου. Επιπλέον, όσο υψηλότερη είναι η πίεση και η θερμοκρασία που δημιουργείται από τον εξοπλισμό οξείδωσης, τόσο πιο γρήγορα θα δημιουργηθεί το στρώμα οξειδίου. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας οξείδωσης, είναι επίσης απαραίτητο να χρησιμοποιήσετε ένα εικονικό φύλλο σύμφωνα με τη θέση της γκοφρέτας στη μονάδα για την προστασία της γκοφρέτας και τη μείωση της διαφοράς στο βαθμό οξείδωσης.

Βήμα 3: Φωτολιθογραφία

Η φωτολιθογραφία είναι να "τυπώσει" το σχέδιο του κυκλώματος στη γκοφρέτα μέσω του φωτός. Μπορούμε να το καταλάβουμε ως σχεδίαση του επίπεδου χάρτη που απαιτείται για την κατασκευή ημιαγωγών στην επιφάνεια της γκοφρέτας. Όσο μεγαλύτερη είναι η λεπτότητα του σχεδίου κυκλώματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενσωμάτωση του τελικού τσιπ, η οποία πρέπει να επιτευχθεί μέσω της προηγμένης τεχνολογίας φωτολιθογραφίας. Συγκεκριμένα, η φωτολιθογραφία μπορεί να χωριστεί σε τρία στάδια: φωτοανθεκτικό επίχρισης, έκθεση και ανάπτυξη.

Επένδυση

Το πρώτο βήμα της σχεδίασης ενός κυκλώματος σε μια γκοφρέτα είναι η επίστρωση του φωτοανθεκτικού στο στρώμα οξειδίου. Το Photoresist κάνει τη γκοφρέτα «φωτογραφικό χαρτί» αλλάζοντας τις χημικές της ιδιότητες. Όσο πιο λεπτό είναι το στρώμα φωτοανθεκτικού στην επιφάνεια της γκοφρέτας, τόσο πιο ομοιόμορφη είναι η επίστρωση και τόσο πιο λεπτό είναι το σχέδιο που μπορεί να εκτυπωθεί. Αυτό το βήμα μπορεί να γίνει με τη μέθοδο «επικάλυψης με στύψιμο». Σύμφωνα με τη διαφορά στην αντιδραστικότητα του φωτός (υπεριώδης), τα φωτοανθεκτικά μπορούν να χωριστούν σε δύο τύπους: θετικά και αρνητικά. Το πρώτο θα αποσυντεθεί και θα εξαφανιστεί μετά την έκθεση στο φως, αφήνοντας το μοτίβο της μη εκτεθειμένης περιοχής, ενώ το δεύτερο θα πολυμεριστεί μετά την έκθεση στο φως και θα κάνει να φαίνεται το σχέδιο του εκτεθειμένου τμήματος.

Εκθεση

Αφού καλυφθεί το φιλμ φωτοαντίστασης στη γκοφρέτα, η εκτύπωση του κυκλώματος μπορεί να ολοκληρωθεί ελέγχοντας την έκθεση στο φως. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται «έκθεση». Μπορούμε επιλεκτικά να περάσουμε φως από τον εξοπλισμό έκθεσης. Όταν το φως περάσει μέσα από τη μάσκα που περιέχει το μοτίβο του κυκλώματος, το κύκλωμα μπορεί να εκτυπωθεί στη γκοφρέτα που είναι επικαλυμμένη με το φωτοανθεκτικό φιλμ παρακάτω.

Κατά τη διαδικασία έκθεσης, όσο πιο λεπτό είναι το εκτυπωμένο μοτίβο, τόσο περισσότερα εξαρτήματα μπορεί να φιλοξενήσει το τελικό τσιπ, γεγονός που συμβάλλει στη βελτίωση της απόδοσης παραγωγής και στη μείωση του κόστους κάθε εξαρτήματος. Σε αυτόν τον τομέα, η νέα τεχνολογία που προσελκύει σήμερα μεγάλη προσοχή είναι η λιθογραφία EUV. Η Lam Research Group έχει αναπτύξει από κοινού μια νέα τεχνολογία φωτοαντίστασης ξηρού φιλμ με τους στρατηγικούς εταίρους ASML και imec. Αυτή η τεχνολογία μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την παραγωγικότητα και την απόδοση της διαδικασίας έκθεσης λιθογραφίας EUV βελτιώνοντας την ανάλυση (βασικός παράγοντας στο πλάτος του κυκλώματος λεπτομέρειας).

Ανάπτυξη

Το βήμα μετά την έκθεση είναι να ψεκάσετε τον προγραμματιστή στη γκοφρέτα, ο σκοπός είναι να αφαιρέσετε το φωτοανθεκτικό στην ακάλυπτη περιοχή του σχεδίου, έτσι ώστε να αποκαλυφθεί το σχέδιο του τυπωμένου κυκλώματος. Μετά την ολοκλήρωση της ανάπτυξης, χρειάζεται να ελεγχθεί από διάφορους εξοπλισμούς μέτρησης και οπτικά μικροσκόπια για να διασφαλιστεί η ποιότητα του διαγράμματος κυκλώματος.

Βήμα 4: Χαλκογραφία

Αφού ολοκληρωθεί η φωτολιθογραφία του διαγράμματος κυκλώματος στη γκοφρέτα, χρησιμοποιείται μια διαδικασία χάραξης για να αφαιρεθεί τυχόν περίσσεια μεμβράνης οξειδίου και να μείνει μόνο το διάγραμμα κυκλώματος ημιαγωγών. Για να γίνει αυτό, χρησιμοποιείται υγρό, αέριο ή πλάσμα για την αφαίρεση των επιλεγμένων πλεονασμάτων. Υπάρχουν δύο κύριες μέθοδοι χάραξης, ανάλογα με τις ουσίες που χρησιμοποιούνται: υγρή χάραξη με χρήση συγκεκριμένου χημικού διαλύματος για χημική αντίδραση για την αφαίρεση του φιλμ οξειδίου και ξηρή χάραξη με αέριο ή πλάσμα.

Υγρή χάραξη

Η υγρή χάραξη με χρήση χημικών διαλυμάτων για την αφαίρεση μεμβρανών οξειδίου έχει τα πλεονεκτήματα του χαμηλού κόστους, της γρήγορης ταχύτητας χάραξης και της υψηλής παραγωγικότητας. Ωστόσο, η υγρή χάραξη είναι ισότροπη, δηλαδή η ταχύτητά της είναι ίδια προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Αυτό προκαλεί την πλήρη ευθυγράμμιση της μάσκας (ή της ευαίσθητης μεμβράνης) με το χαραγμένο φιλμ οξειδίου, επομένως είναι δύσκολο να επεξεργαστούμε πολύ λεπτά κυκλώματα.

Ξηρή χάραξη

Η ξηρή χάραξη μπορεί να χωριστεί σε τρεις διαφορετικούς τύπους. Η πρώτη είναι η χημική χάραξη, η οποία χρησιμοποιεί αέρια χάραξης (κυρίως υδροφθόριο). Όπως και η υγρή χάραξη, αυτή η μέθοδος είναι ισότροπη, που σημαίνει ότι δεν είναι κατάλληλη για λεπτή χάραξη.

Η δεύτερη μέθοδος είναι η φυσική εκτόξευση, η οποία χρησιμοποιεί ιόντα στο πλάσμα για να προσκρούσει και να αφαιρέσει την περίσσεια στοιβάδας οξειδίου. Ως ανισότροπη μέθοδος χάραξης, η χάραξη με ψεκασμό έχει διαφορετικούς ρυθμούς χάραξης στην οριζόντια και κάθετη κατεύθυνση, επομένως η λεπτότητά της είναι επίσης καλύτερη από τη χημική χάραξη. Ωστόσο, το μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι η ταχύτητα χάραξης είναι αργή επειδή βασίζεται εξ ολοκλήρου στη φυσική αντίδραση που προκαλείται από τη σύγκρουση ιόντων.

Η τελευταία τρίτη μέθοδος είναι η χάραξη αντιδραστικών ιόντων (RIE). Το RIE συνδυάζει τις δύο πρώτες μεθόδους, δηλαδή, ενώ χρησιμοποιείται πλάσμα για φυσική χάραξη ιονισμού, η χημική χάραξη πραγματοποιείται με τη βοήθεια ελεύθερων ριζών που δημιουργούνται μετά την ενεργοποίηση του πλάσματος. Εκτός από την ταχύτητα χάραξης που υπερβαίνει τις δύο πρώτες μεθόδους, το RIE μπορεί να χρησιμοποιήσει τα ανισότροπα χαρακτηριστικά των ιόντων για να επιτύχει χάραξη σχεδίων υψηλής ακρίβειας.

Σήμερα, η ξηρή χάραξη έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για τη βελτίωση της απόδοσης των λεπτών κυκλωμάτων ημιαγωγών. Η διατήρηση της ομοιομορφίας χαρακτικής πλήρους πλακέτας και η αύξηση της ταχύτητας χάραξης είναι ζωτικής σημασίας και ο πιο προηγμένος εξοπλισμός ξηρής χάραξης του σήμερα υποστηρίζει την παραγωγή των πιο προηγμένων τσιπ λογικής και μνήμης με υψηλότερη απόδοση.

Η VeTek Semiconductor είναι επαγγελματίας κινέζος κατασκευαστήςΕπικάλυψη καρβιδίου τανταλίου, Επικάλυψη καρβιδίου πυριτίου, Ειδικός Γραφίτης, Κεραμικά καρβιδίου πυριτίουκαιΆλλα Κεραμικά Ημιαγωγών. Η VeTek Semiconductor δεσμεύεται να παρέχει προηγμένες λύσεις για διάφορα προϊόντα SiC Wafer για τη βιομηχανία ημιαγωγών.

Εάν ενδιαφέρεστε για τα παραπάνω προϊόντα, μη διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μας απευθείας.  

Κιν: +86-180 6922 0752

WhatsAPP: +86 180 6922 0752

Email: anny@veteksemi.com