Una spiegazione completa del processo di produzione del chip (1/2): dal wafer all'imballaggio e test

La produzione di ciascun prodotto a semiconduttore richiede centinaia di processi e l'intero processo di produzione è diviso in otto passaggi:Elaborazione del wafer - ossidazione - fotolitografia - Incisione - Deposizione di film sottile - interconnessione - Test - confezione.

Passaggio 1:Elaborazione del wafer

Tutti i processi di semiconduttore iniziano con un granello di sabbia! Perché il silicio contenuto nella sabbia è la materia prima necessaria per produrre wafer. I wafer sono fette rotonde tagliate da singoli cilindri di cristallo realizzati in silicio (SI) o arsenuro di gallio (GAAS). Per estrarre materiali in silicio ad alta purezza, sabbia di silice, è necessario un materiale speciale con un contenuto di biossido di silicio fino al 95%, che è anche la materia prima principale per produrre wafer. L'elaborazione del wafer è il processo di realizzazione dei wafer di cui sopra.

Casting lingotto

Innanzitutto, la sabbia deve essere riscaldata per separare il monossido di carbonio e il silicio in essa e il processo viene ripetuto fino a quando non si ottiene il silicio di grado elettronico a livello superiore (EG-SI). Il silicio ad alta purezza si scioglie in liquido e quindi si solidifica in una singola forma solida di cristallo, chiamato "lingotto", che è il primo passo nella produzione di semiconduttori.

La precisione di produzione dei lingotti di silicio (pilastri del silicio) è molto elevata, raggiungendo il livello del nanometro e il metodo di produzione ampiamente utilizzato è il metodo Czochralski.

Taglio del lingotto

Dopo che il passaggio precedente è stato completato, è necessario tagliare le due estremità del lingotto con una sega a diamante e quindi tagliarlo a fettine sottili di un certo spessore. Il diametro della fetta di lingotto determina la dimensione del wafer. I wafer più grandi e più sottili possono essere divisi in unità più utilizzabili, il che aiuta a ridurre i costi di produzione. Dopo aver tagliato il lingotto di silicio, è necessario aggiungere segni di "area piatta" o "ammaccatura" sulle fette per facilitare l'impostazione della direzione di elaborazione come standard nei passaggi successivi.

Lucidatura della superficie del wafer

Le fette ottenute attraverso il processo di taglio di cui sopra sono chiamate "wafer nude", cioè "wafer grezzi" non trasformati. La superficie del wafer nudo è irregolare e il motivo del circuito non può essere stampato direttamente su di essa. Pertanto, è necessario prima rimuovere i difetti della superficie attraverso i processi di macinazione e di attacco chimico, quindi lucidare per formare una superficie liscia, quindi rimuovere i contaminanti residui attraverso la pulizia per ottenere un wafer finito con una superficie pulita.

Passaggio 2: ossidazione

Il ruolo del processo di ossidazione è quello di formare un film protettivo sulla superficie del wafer. Protegge il wafer dalle impurità chimiche, impedisce alla corrente di perdita di entrare nel circuito, impedisce la diffusione durante l'impianto ionico e impedisce al wafer di scivolare durante l'attacco.

Il primo passo del processo di ossidazione è rimuovere impurità e contaminanti. Richiede quattro passaggi per rimuovere la materia organica, le impurità dei metalli ed evaporare l'acqua residua. Dopo la pulizia, il wafer può essere posizionato in un ambiente ad alta temperatura da 800 a 1200 gradi Celsius e uno strato di biossido di silicio (cioè "ossido") è formato dal flusso di ossigeno o vapore sulla superficie del wafer. L'ossigeno si diffonde attraverso lo strato di ossido e reagisce con il silicio per formare uno strato di ossido di spessore variabile e il suo spessore può essere misurato dopo il completamento dell'ossidazione.

L'ossidazione secca e l'ossidazione umida a seconda dei diversi ossidanti nella reazione di ossidazione, il processo di ossidazione termica può essere diviso in ossidazione secca e ossidazione a umido. Il primo usa ossigeno puro per produrre uno strato di biossido di silicio, che è lento ma lo strato di ossido è sottile e denso. Quest'ultimo richiede sia l'ossigeno che il vapore acqueo altamente solubile, che è caratterizzato da un tasso di crescita rapido ma uno strato protettivo relativamente spesso con una bassa densità.

Oltre all'ossidante, ci sono altre variabili che influenzano lo spessore dello strato di biossido di silicio. Innanzitutto, la struttura del wafer, i suoi difetti superficiali e la concentrazione di doping interno influenzeranno il tasso di generazione dello strato di ossido. Inoltre, maggiore è la pressione e la temperatura generate dall'apparecchiatura di ossidazione, più veloce verrà generato lo strato di ossido. Durante il processo di ossidazione, è anche necessario utilizzare un foglio fittizio in base alla posizione del wafer nell'unità per proteggere il wafer e ridurre la differenza nel grado di ossidazione.

Passaggio 3: fotolitografia

La fotolitografia è "stampare" il motivo del circuito sul wafer attraverso la luce. Possiamo capirlo come disegnare la mappa del piano richiesta per la produzione di semiconduttori sulla superficie del wafer. Maggiore è la finezza del modello di circuito, maggiore è l'integrazione del chip finito, che deve essere ottenuto attraverso la tecnologia di fotolitografia avanzata. In particolare, la fotolitografia può essere divisa in tre passaggi: fotoresist di rivestimento, esposizione e sviluppo.

Rivestimento

Il primo passo per disegnare un circuito su un wafer è ricoprire il fotoresist sullo strato di ossido. Il fotoresist rende il wafer una "carta fotografica" modificando le sue proprietà chimiche. Più sottile è lo strato fotoresist sulla superficie del wafer, più uniforme è il rivestimento e più fine è il motivo che può essere stampato. Questo passaggio può essere eseguito con il metodo "Spin Coating". Secondo la differenza nella reattività della luce (ultravioletta), i fotoresisti possono essere divisi in due tipi: positivi e negativi. Il primo si decomponderà e scomparirà dopo l'esposizione alla luce, lasciando il modello dell'area non esposta, mentre il secondo polimerizzerà dopo l'esposizione alla luce e farà apparire il modello della parte esposta.

Esposizione

Dopo che il film fotoresist è stato coperto sul wafer, la stampa del circuito può essere completata controllando l'esposizione alla luce. Questo processo è chiamato "esposizione". Possiamo passare selettivamente la luce attraverso l'attrezzatura di esposizione. Quando la luce passa attraverso la maschera contenente il motivo del circuito, il circuito può essere stampato sul wafer rivestito con il film fotoresist qui sotto.

Durante il processo di esposizione, più fine è il modello stampato, più componenti possono ospitare il chip finale, il che aiuta a migliorare l'efficienza della produzione e ridurre il costo di ciascun componente. In questo campo, la nuova tecnologia che sta attualmente attirando molta attenzione è la litografia EUV. Lam Research Group ha sviluppato congiuntamente una nuova tecnologia fotoresist a secco con partner strategici ASML e IMEC. Questa tecnologia può migliorare notevolmente la produttività e la resa del processo di esposizione alla litografia EUV migliorando la risoluzione (un fattore chiave nella larghezza del circuito di messa a punto).

Sviluppo

Il passo dopo l'esposizione è spruzzare lo sviluppatore sul wafer, lo scopo è rimuovere il fotoresist nell'area scoperta del motivo, in modo che il modello di circuito stampato possa essere rivelato. Dopo che lo sviluppo è stato completato, deve essere controllato da varie apparecchiature di misurazione e microscopi ottici per garantire la qualità del diagramma del circuito.

Passaggio 4: attacco

Dopo che la fotolitografia del diagramma del circuito è stata completata sul wafer, viene utilizzato un processo di incisione per rimuovere qualsiasi film in eccesso di ossido e lasciare solo lo schema del circuito a semiconduttore. Per fare ciò, il liquido, il gas o il plasma vengono utilizzati per rimuovere le parti in eccesso selezionate. Esistono due principali metodi di incisione, a seconda delle sostanze utilizzate: incisione a umido usando una soluzione chimica specifica per reagire chimicamente per rimuovere il film di ossido e l'attacco a secco usando gas o plasma.

Incisione bagnata

L'incisione a umido utilizzando soluzioni chimiche per rimuovere i film di ossido ha i vantaggi a basso costo, velocità rapida di attacco e alta produttività. Tuttavia, l'attacco bagnato è isotropico, cioè la sua velocità è la stessa in qualsiasi direzione. Ciò fa sì che la maschera (o film sensibile) non sia completamente allineata con il film di ossido inciso, quindi è difficile elaborare diagrammi a circuiti molto fini.

Incisione secca

L'incisione a secco può essere divisa in tre diversi tipi. Il primo è l'attacco chimico, che utilizza gas (principalmente fluoruro di idrogeno). Come l'attacco a umido, questo metodo è isotropico, il che significa che non è adatto per l'incisione fine.

Il secondo metodo è lo sputtering fisico, che utilizza ioni nel plasma per influire e rimuovere lo strato di ossido in eccesso. Come metodo di incisione anisotropica, l'attacco di sputtering ha tassi di attacco diversi nelle direzioni orizzontali e verticali, quindi la sua finezza è anche migliore dell'incisione chimica. Tuttavia, lo svantaggio di questo metodo è che la velocità di attacco è lenta perché si basa interamente sulla reazione fisica causata dalla collisione ionica.

L'ultimo terzo metodo è l'attacco a ioni reattivi (RIE). RIE combina i primi due metodi, ovvero mentre si utilizza il plasma per l'attacco fisico a ionizzazione, viene effettuata l'attacco chimico con l'aiuto di radicali liberi generati dopo l'attivazione del plasma. Oltre alla velocità di attacco che supera i primi due metodi, RIE può utilizzare le caratteristiche anisotropiche degli ioni per ottenere attacco al modello ad alta precisione.

Oggi, l'attacco a secco è stato ampiamente utilizzato per migliorare la resa dei circuiti a semiconduttore fine. Il mantenimento dell'uniformità dell'incisione a pieno rispetto e l'aumento della velocità di attacco sono fondamentali e le apparecchiature di incisione a secco più avanzata di oggi supportano la produzione dei chip logici e di memoria più avanzati con prestazioni più elevate.

Vetek Semiconductor è un produttore cinese professionista diRivestimento in carburo di tantalum, Rivestimento in carburo di silicio, Grafite speciale, Ceramica in carburo di silicioEAltre ceramiche di semiconduttore. Vetek Semiconductor si impegna a fornire soluzioni avanzate per vari prodotti Wafer SIC per l'industria dei semiconduttori.

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