Een volledige uitleg van het chipproductieproces (1/2): van wafer tot verpakking en testen

De productie van elk halfgeleiderproduct vereist honderden processen, en het hele productieproces is verdeeld in acht stappen:wafel verwerking - oxidatie - fotolithografie - etsen - dunne filmafzetting - onderlinge verbinding - testen - verpakking.

Stap 1:Wafelverwerking

Alle halfgeleiderprocessen beginnen met een zandkorrel! Omdat het silicium in het zand de grondstof is die nodig is om wafels te produceren. Wafels zijn ronde plakjes gesneden uit monokristallijne cilinders gemaakt van silicium (Si) of galliumarsenide (GaAs). Om hoogzuivere siliciummaterialen te winnen is kwartszand nodig, een speciaal materiaal met een siliciumdioxidegehalte tot 95%, dat tevens de belangrijkste grondstof is voor het maken van wafels. Wafelverwerking is het proces waarbij de bovengenoemde wafels worden gemaakt.

Ingots gieten

Eerst moet het zand worden verwarmd om het daarin aanwezige koolmonoxide en silicium te scheiden, en het proces wordt herhaald totdat silicium van elektronische kwaliteit met ultrahoge zuiverheid (EG-Si) wordt verkregen. Hoogzuiver silicium smelt tot vloeistof en stolt vervolgens tot een vaste kristalvorm, een "ingot" genoemd, wat de eerste stap is in de productie van halfgeleiders.

De productieprecisie van siliciumstaven (siliciumpilaren) is zeer hoog en bereikt het nanometerniveau, en de veelgebruikte productiemethode is de Czochralski-methode.

Ingots snijden

Nadat de vorige stap is voltooid, is het noodzakelijk om de twee uiteinden van de staaf af te snijden met een diamantzaag en deze vervolgens in dunne plakjes van een bepaalde dikte te snijden. De diameter van de staafplak bepaalt de grootte van de wafel. Grotere en dunnere wafels kunnen worden opgedeeld in meer bruikbare eenheden, wat de productiekosten helpt verlagen. Na het snijden van de siliciumstaaf is het noodzakelijk om "vlakke" of "deuk"-markeringen op de plakjes aan te brengen om het instellen van de verwerkingsrichting als standaard in de volgende stappen te vergemakkelijken.

Polijsten van wafeloppervlakken

De plakjes die door het bovenstaande snijproces worden verkregen, worden "kale wafels" genoemd, dat wil zeggen onbewerkte "rauwe wafels". Het oppervlak van de kale wafel is ongelijk en het circuitpatroon kan er niet rechtstreeks op worden afgedrukt. Daarom is het noodzakelijk om eerst oppervlaktedefecten te verwijderen door middel van slijp- en chemische etsprocessen, vervolgens te polijsten om een ​​glad oppervlak te vormen, en vervolgens resterende verontreinigingen te verwijderen door middel van reinigen om een ​​afgewerkte wafel met een schoon oppervlak te verkrijgen.

Stap 2: Oxidatie

De rol van het oxidatieproces is het vormen van een beschermende film op het oppervlak van de wafer. Het beschermt de wafer tegen chemische onzuiverheden, voorkomt dat lekstroom het circuit binnendringt, voorkomt diffusie tijdens ionenimplantatie en voorkomt dat de wafer wegglijdt tijdens het etsen.

De eerste stap van het oxidatieproces is het verwijderen van onzuiverheden en verontreinigingen. Er zijn vier stappen nodig om organisch materiaal en metaalverontreinigingen te verwijderen en restwater te verdampen. Na het reinigen kan de wafel in een hoge temperatuuromgeving van 800 tot 1200 graden Celsius worden geplaatst, en wordt een laag siliciumdioxide (d.w.z. "oxide") gevormd door de stroom van zuurstof of stoom op het oppervlak van de wafel. Zuurstof diffundeert door de oxidelaag en reageert met silicium om een ​​oxidelaag van verschillende dikte te vormen, waarvan de dikte kan worden gemeten nadat de oxidatie is voltooid.

Droge oxidatie en natte oxidatie Afhankelijk van de verschillende oxidatiemiddelen in de oxidatiereactie kan het thermische oxidatieproces worden onderverdeeld in droge oxidatie en natte oxidatie. De eerste gebruikt pure zuurstof om een ​​siliciumdioxidelaag te produceren, wat langzaam is, maar de oxidelaag is dun en dicht. Dit laatste vereist zowel zuurstof als goed oplosbare waterdamp, die wordt gekenmerkt door een hoge groeisnelheid maar een relatief dikke beschermlaag met een lage dichtheid.

Naast het oxidatiemiddel zijn er nog andere variabelen die de dikte van de siliciumdioxidelaag beïnvloeden. Ten eerste zullen de wafelstructuur, de oppervlaktedefecten en de interne doteringsconcentratie de snelheid waarmee de oxidelaag wordt gegenereerd beïnvloeden. Bovendien geldt dat hoe hoger de druk en temperatuur die door de oxidatieapparatuur worden gegenereerd, hoe sneller de oxidelaag zal worden gegenereerd. Tijdens het oxidatieproces is het ook nodig om een ​​dummyvel te gebruiken, afhankelijk van de positie van de wafer in de eenheid, om de wafer te beschermen en het verschil in oxidatiegraad te verkleinen.

Stap 3: Fotolithografie

Fotolithografie is het printen van het circuitpatroon op de wafer door middel van licht. We kunnen het begrijpen als het tekenen van de vliegtuigkaart die nodig is voor de productie van halfgeleiders op het oppervlak van de wafer. Hoe hoger de fijnheid van het circuitpatroon, hoe hoger de integratie van de voltooide chip, wat moet worden bereikt door middel van geavanceerde fotolithografietechnologie. Concreet kan fotolithografie worden onderverdeeld in drie stappen: het coaten van fotoresist, belichting en ontwikkeling.

Coating

De eerste stap bij het tekenen van een circuit op een wafer is het aanbrengen van de fotoresist op de oxidelaag. Fotoresist maakt van de wafel een "fotopapier" door de chemische eigenschappen ervan te veranderen. Hoe dunner de fotoresistlaag op het oppervlak van de wafel, hoe uniformer de coating en hoe fijner het patroon dat kan worden afgedrukt. Deze stap kan worden uitgevoerd met behulp van de "spincoating"-methode. Afhankelijk van het verschil in reactiviteit van licht (ultraviolet), kunnen fotoresists in twee typen worden verdeeld: positief en negatief. De eerste zullen ontleden en verdwijnen na blootstelling aan licht, waardoor het patroon van het niet-blootgestelde gebied achterblijft, terwijl de laatste na blootstelling aan licht zullen polymeriseren en het patroon van het blootgestelde deel zullen verschijnen.

Blootstelling

Nadat de fotoresistfilm op de wafer is bedekt, kan het printen van de circuits worden voltooid door de blootstelling aan licht te regelen. Dit proces wordt ‘blootstelling’ genoemd. We kunnen selectief licht door de belichtingsapparatuur laten gaan. Wanneer het licht door het masker gaat dat het circuitpatroon bevat, kan het circuit worden afgedrukt op de wafer die is bedekt met de fotoresistfilm eronder.

Tijdens het belichtingsproces geldt: hoe fijner het gedrukte patroon, hoe meer componenten de uiteindelijke chip kan bevatten, wat helpt de productie-efficiëntie te verbeteren en de kosten van elk onderdeel te verlagen. Op dit gebied is de nieuwe technologie die momenteel veel aandacht trekt EUV-lithografie. Lam Research Group heeft samen met strategische partners ASML en imec een nieuwe droge-film-fotoresisttechnologie ontwikkeld. Deze technologie kan de productiviteit en het rendement van het EUV-lithografiebelichtingsproces aanzienlijk verbeteren door de resolutie te verbeteren (een sleutelfactor bij het nauwkeurig afstemmen van de circuitbreedte).

Ontwikkeling

De stap na de belichting is het spuiten van de ontwikkelaar op de wafer. Het doel is om de fotoresist in het onbedekte gebied van het patroon te verwijderen, zodat het printpatroon zichtbaar kan worden. Nadat de ontwikkeling is voltooid, moet deze worden gecontroleerd door verschillende meetapparatuur en optische microscopen om de kwaliteit van het schakelschema te garanderen.

Stap 4: Etsen

Nadat de fotolithografie van het schakelschema op de wafer is voltooid, wordt een etsproces gebruikt om eventuele overtollige oxidefilm te verwijderen, zodat alleen het halfgeleiderschakelschema overblijft. Om dit te doen, wordt vloeistof, gas of plasma gebruikt om de geselecteerde overtollige delen te verwijderen. Er zijn twee hoofdmethoden voor etsen, afhankelijk van de gebruikte stoffen: nat etsen met een specifieke chemische oplossing die chemisch reageert om de oxidefilm te verwijderen, en droog etsen met gas of plasma.

Nat etsen

Nat etsen met behulp van chemische oplossingen om oxidefilms te verwijderen heeft de voordelen van lage kosten, hoge etssnelheid en hoge productiviteit. Nat etsen is echter isotroop, dat wil zeggen dat de snelheid in elke richting hetzelfde is. Dit zorgt ervoor dat het masker (of de gevoelige film) niet volledig is uitgelijnd met de geëtste oxidefilm, waardoor het moeilijk is om zeer fijne schakelschema's te verwerken.

Droog etsen

Droogetsen kan worden onderverdeeld in drie verschillende typen. De eerste is chemisch etsen, waarbij gebruik wordt gemaakt van etsgassen (voornamelijk waterstoffluoride). Deze methode is, net als nat etsen, isotroop, wat betekent dat deze niet geschikt is voor fijn etsen.

De tweede methode is fysiek sputteren, waarbij ionen in het plasma worden gebruikt om de overtollige oxidelaag te beïnvloeden en te verwijderen. Als anisotrope etsmethode heeft sputteretsen verschillende etssnelheden in horizontale en verticale richting, dus de fijnheid is ook beter dan chemisch etsen. Het nadeel van deze methode is echter dat de etssnelheid laag is, omdat deze volledig afhankelijk is van de fysieke reactie die wordt veroorzaakt door ionenbotsing.

De laatste derde methode is reactief ionenetsen (RIE). RIE combineert de eerste twee methoden, dat wil zeggen, terwijl plasma wordt gebruikt voor fysiek ionisatie-etsen, wordt chemisch etsen uitgevoerd met behulp van vrije radicalen die worden gegenereerd na plasma-activering. Naast de etssnelheid die de eerste twee methoden overschrijdt, kan RIE de anisotrope eigenschappen van ionen gebruiken om patroonetsen met hoge precisie te bereiken.

Tegenwoordig wordt droog etsen op grote schaal gebruikt om de opbrengst van fijne halfgeleidercircuits te verbeteren. Het handhaven van de etsuniformiteit over de volledige wafer en het verhogen van de etssnelheid zijn van cruciaal belang, en de meest geavanceerde droge etsapparatuur van vandaag ondersteunt de productie van de meest geavanceerde logica- en geheugenchips met hogere prestaties.

VeTek Semiconductor is een professionele Chinese fabrikant vanTantaalcarbide coating, Siliciumcarbide coating, Speciaal Grafiet, Siliciumcarbide keramiekEnAndere halfgeleiderkeramiek. VeTek Semiconductor streeft ernaar geavanceerde oplossingen te bieden voor verschillende SiC Wafer-producten voor de halfgeleiderindustrie.

Indien u geïnteresseerd bent in bovenstaande producten, neem dan gerust direct contact met ons op.  

Mob: +86-180 6922 0752

WhatsAPP: +86 180 6922 0752

E-mail: anny@veteksemi.com