Pembuatan cip adalah proses yang paling kompleks di dunia hari ini. Ini adalah proses yang kompleks yang diselesaikan oleh banyak syarikat terkemuka. Artikel ini berusaha untuk meringkaskan proses ini dan memberikan penerangan yang menyeluruh dan umum tentang proses yang kompleks ini.
Terdapat banyak proses pembuatan semikonduktor, dan dikatakan terdapat ratusan atau bahkan ribuan langkah. Ini tidak keterlaluan. Sebuah kilang dengan pelaburan berbilion dolar mungkin hanya melakukan sebahagian kecil daripada proses itu. Untuk proses yang begitu kompleks, artikel ini akan dibahagikan kepada lima kategori utama untuk penjelasan: pembuatan wafer, fotolitografi dan etsa, implantasi ion, pemendapan filem nipis, dan pembungkusan dan ujian.
1. Proses pembuatan semikonduktor - pembuatan wafer
Pembuatan wafer boleh dibahagikan kepada 5 proses utama berikut:
(1) Menarik Kristal
◈ Polisilikon terdop cair pada 1400 darjah
◈ Suntikan gas lengai argon ketulenan tinggi
◈ Letakkan "benih" silikon kristal tunggal ke dalam cair dan putar perlahan-lahan apabila "ditarik keluar".
◈ Diameter jongkong kristal tunggal ditentukan oleh suhu dan kelajuan pengekstrakan
(2) Menghiris wafer menggunakan "gergaji" ketepatan untuk memotong jongkong silikon menjadi wafer individu.
(3) Lapping wafer, goresan
◈ Wafer yang dihiris dikisar secara mekanikal menggunakan pengisar berputar dan buburan alumina untuk menjadikan permukaan wafer rata dan selari serta mengurangkan kecacatan mekanikal.
◈ Wafer kemudiannya terukir dalam larutan asid nitrided/asid asetik untuk menghilangkan rekahan mikroskopik atau kerosakan permukaan, diikuti dengan siri mandian air RO/DI ketulenan tinggi.
(4) Menggilap dan membersihkan wafer
◈ Seterusnya, wafer digilap dalam satu siri proses penggilap kimia dan mekanikal yang dipanggil CMP (Chemical Mechanical Polish). ◈ Proses penggilapan biasanya merangkumi dua hingga tiga langkah penggilap menggunakan buburan yang semakin halus dan pembersihan perantaraan menggunakan air RO/DI. ◈ Pembersihan akhir dilakukan menggunakan larutan SC1 (ammonia, hidrogen peroksida, dan air RO/DI) untuk membuang kekotoran dan zarah organik. Kemudian, HF digunakan untuk membuang oksida asli dan kekotoran logam, dan akhirnya larutan SC2 membolehkan oksida asli baru ultra-bersih tumbuh di permukaan. (5) Pemprosesan epitaxial wafer
◈ Epitaxial growth (EPI) digunakan untuk mengembangkan lapisan silikon kristal tunggal daripada wap ke substrat silikon kristal tunggal pada suhu tinggi.
◈ Proses menumbuhkan lapisan silikon kristal tunggal daripada fasa wap dipanggil epitaksi fasa wap (VPE).
SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl
SiCl4 (silikon tetraklorida)
Tindak balas boleh diterbalikkan, iaitu jika HCl ditambah, silikon akan terukir daripada permukaan wafer.
Satu lagi tindak balas untuk menjana Si tidak boleh diterbalikkan: SiH4 → Si + 2H2 (silane)
◈ Tujuan pertumbuhan EPI adalah untuk membentuk lapisan dengan kepekatan dopan aktif elektrik yang berbeza (biasanya lebih rendah) pada substrat. Sebagai contoh, lapisan jenis-N pada wafer jenis-P.
◈ Kira-kira 3% daripada ketebalan wafer.
◈ Tiada pencemaran kepada struktur transistor berikutnya.
2. Proses pembuatan semikonduktor - Fotolitografi Mesin fotolitografi, yang telah banyak disebut dalam beberapa tahun kebelakangan ini, hanyalah salah satu daripada banyak peralatan proses. Malah fotolitografi mempunyai banyak langkah proses dan peralatan.
(1) Salutan tahan foto
Photoresist ialah bahan fotosensitif. Sebilangan kecil cecair photoresist ditambah pada wafer. Wafer diputar pada kelajuan 1000 hingga 5000 RPM, menyebarkan photoresist ke dalam salutan seragam setebal 2 hingga 200um. Terdapat dua jenis photoresist: negatif dan positif. Positif: Pendedahan kepada cahaya boleh memecahkan struktur molekul kompleks, menjadikannya mudah larut. Negatif: Pendedahan menjadikan struktur molekul lebih kompleks dan lebih sukar untuk dibubarkan. Langkah-langkah yang terlibat dalam setiap langkah fotolitografi adalah seperti berikut; ◈ Bersihkan wafer ◈ Lapisan penghalang deposit SiO2, Si3N4, logam ◈ Sapukan photoresist ◈ Bakar lembut ◈ Jajarkan topeng ◈ Pendedahan grafik ◈ Pembangunan ◈ Bakar ◈ Etch ◈ Keluarkan photoresist (2) Corak Penyediaan Corak Penyediaan IC pereka bentuk reka bentuk perisian CAD setiap lapisan. Corak itu kemudiannya dipindahkan ke substrat kuarza telus optik (templat) dengan corak menggunakan penjana corak laser atau pancaran elektron.
(3) Pemindahan corak (pendedahan) Di sini, mesin fotolitografi digunakan untuk menayang dan menyalin corak daripada templat ke lapisan cip.
(4) Pembangunan dan Pembakaran ◈ Selepas pendedahan, wafer dibangunkan dalam larutan asid atau alkali untuk menghilangkan kawasan terdedah fotoresist. ◈ Setelah photoresist terdedah dikeluarkan, wafer "dibakar" pada suhu rendah untuk mengeraskan baki photoresist.
3. Proses Pengilangan Semikonduktor - Goresan dan Implantasi Ion (1) Goresan Basah dan Kering ◈ Goresan kimia dilakukan pada platform basah yang besar. ◈ Pelbagai jenis larutan asid, bes dan kaustik digunakan untuk mengalih keluar kawasan terpilih daripada bahan berbeza. ◈ BOE, atau buffered oxide etchant, diperbuat daripada asid hidrofluorik yang ditimbal dengan ammonium fluorida dan digunakan untuk mengeluarkan silikon dioksida tanpa mengetsa lapisan silikon atau polisilikon di bawahnya. ◈ Asid fosforik digunakan untuk mengetsa lapisan silikon nitrida. ◈ Asid nitrik digunakan untuk mengetsa logam. ◈ Photoresist dikeluarkan dengan asid sulfurik. ◈ Untuk goresan kering, wafer diletakkan di dalam ruang etsa dan terukir oleh plasma. ◈ Keselamatan kakitangan adalah kebimbangan utama. ◈ Banyak fabrik menggunakan peralatan automatik untuk melakukan proses goresan. (2) Tahan Penanggalan
Fotoresist kemudiannya dilucutkan sepenuhnya daripada wafer, meninggalkan corak oksida pada wafer.
(3) Implantasi ion
◈ Implantasi ion mengubah sifat elektrik kawasan yang tepat dalam lapisan sedia ada pada wafer.
◈ Implanter ion menggunakan tiub pemecut arus tinggi dan magnet stereng dan fokus untuk membedil permukaan wafer dengan ion dopan tertentu.
◈ Oksida bertindak sebagai penghalang manakala bahan kimia doping dimendapkan di permukaan dan meresap ke dalam permukaan.
◈ Permukaan silikon dipanaskan hingga 900 darjah untuk penyepuhlindapan, dan ion dopan yang diimplan meresap lebih jauh ke dalam wafer silikon.
4. Proses Pengilangan Semikonduktor - Pemendapan Filem Nipis
Terdapat banyak cara dan kandungan pemendapan filem nipis, yang dijelaskan satu persatu di bawah: (1) Silicon Oxide
Apabila silikon wujud dalam oksigen, SiO2 akan tumbuh secara terma. Oksigen berasal dari oksigen atau wap air. Suhu ambien dikehendaki 900 ~ 1200 darjah . Tindak balas kimia yang berlaku ialah
Si + O2 → SiO2
Si +2H2O ->SiO2 + 2H2
Permukaan wafer silikon selepas pengoksidaan terpilih ditunjukkan dalam rajah di bawah:
Kedua-dua oksigen dan air meresap melalui SiO2 sedia ada dan bergabung dengan Si untuk membentuk SiO2 tambahan. Air (wap) meresap lebih mudah daripada oksigen, jadi wap tumbuh lebih cepat.
Oksida digunakan untuk menyediakan lapisan penebat dan pempasifan untuk membentuk get transistor. Oksigen kering digunakan untuk membentuk gerbang dan lapisan oksida nipis. Wap digunakan untuk membentuk lapisan oksida yang tebal. Lapisan oksida penebat biasanya sekitar 1500nm, dan lapisan pintu biasanya antara 200nm dan 500nm.
(2) Pemendapan Wap Kimia
Pemendapan wap kimia (CVD) membentuk filem nipis pada permukaan substrat melalui penguraian terma dan/atau tindak balas sebatian gas.
Terdapat tiga jenis asas reaktor CVD: ◈ Pemendapan wap kimia atmosfera
◈ CVD tekanan rendah (LPCVD)
◈ CVD dipertingkat plasma (PECVD)
Gambarajah skematik proses CVD tekanan rendah ditunjukkan di bawah.
Proses tindak balas utama CVD adalah seperti berikut
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->Si + 2h2 (600 darjah )
Kadar pemendapan 100 - 200 nm /min
Fosforus (fosfin), boron (diborane) atau gas arsenik boleh ditambah. Polysilicon juga boleh didop dengan gas resapan selepas pemendapan.
ii). Silikon dioksida Dioksida
SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 darjah )
SiO2 digunakan sebagai penebat atau lapisan pempasifan. Fosforus biasanya ditambah untuk mendapatkan prestasi aliran elektron yang lebih baik.
iii). Silikon nitrida Siicon Nitride
3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2
(Silane) (Amonia) (Nitrida)
(3) Sputtering
Sasaran dihujani dengan ion bertenaga tinggi seperti Ar+, dan atom dalam sasaran akan digerakkan dan diangkut ke substrat.
Logam seperti aluminium dan titanium boleh digunakan sebagai sasaran. (4) Penyejatan
Al atau Au (emas) dipanaskan ke takat penyejatan, dan wap akan terpeluwap dan membentuk filem nipis yang meliputi permukaan wafer.
Contoh berikut akan menerangkan secara terperinci bagaimana litar pada wafer silikon terbentuk langkah demi langkah daripada fotolitografi, etsa kepada pemendapan ion:
5. Proses Pengilangan Semikonduktor - Ujian Pembungkusan (Pasca pemprosesan)
(1) Ujian Wafer Selepas penyediaan litar akhir selesai, peranti ujian pada wafer diuji menggunakan kaedah ujian probe automatik untuk mengeluarkan produk yang rosak.
(2) Dicing Wafer Selepas ujian probe, wafer dipotong menjadi cip individu.
(3) Pendawaian dan pembungkusan ◈ Cip individu disambungkan ke bingkai plumbum, dan plumbum aluminium atau emas disambungkan dengan mampatan terma atau kimpalan ultrasonik. ◈ Pembungkusan diselesaikan dengan menutup peranti dalam bungkusan seramik atau plastik. ◈ Kebanyakan cip masih perlu menjalani ujian fungsi akhir sebelum ia dihantar kepada pengguna hiliran.
