Una explicación completa del proceso de fabricación de chips (1/2): desde la oblea hasta el embalaje y las pruebas

La fabricación de cada producto semiconductor requiere cientos de procesos, y todo el proceso de fabricación se divide en ocho pasos:procesamiento de obleas - oxidación - fotolitografía - aguafuerte - deposición de película delgada - interconexión - pruebas - embalaje.

Paso 1:Procesamiento de obleas

¡Todos los procesos de semiconductores comienzan con un grano de arena! Debido a que el silicio contenido en la arena es la materia prima necesaria para producir obleas. Las obleas son rodajas redondas cortadas de cilindros de cristal único hechos de silicio (SI) o arseniuro de galio (GaAs). Para extraer materiales de silicio de alta pureza, arena de sílice, un material especial con un contenido de dióxido de silicio de hasta el 95%, que también es la principal materia prima para hacer obleas. El procesamiento de la oblea es el proceso de hacer las obleas anteriores.

Lingote

Primero, la arena debe calentarse para separar el monóxido de carbono y el silicio, y el proceso se repite hasta que se obtiene el silicio de grado electrónico de pureza ultra alta (EG-Si). El silicio de alta pureza se derrite en líquido y luego se solidifica en una forma sólida de cristal, llamada "lingote", que es el primer paso en la fabricación de semiconductores.

La precisión de fabricación de lingotes de silicio (pilares de silicio) es muy alta, alcanzando el nivel nanométrico, y el método de fabricación ampliamente utilizado es el método Czochralski.

Corte de lingote

Una vez que se completa el paso anterior, es necesario cortar los dos extremos de la lingote con una sierra de diamante y luego cortarla en rodajas finas de cierto espesor. El diámetro de la porción de lingoteo determina el tamaño de la oblea. Las obleas más grandes y delgadas se pueden dividir en unidades más utilizables, lo que ayuda a reducir los costos de producción. Después de cortar el lingote de silicio, es necesario agregar marcas de "área plana" o "abolladura" en las rodajas para facilitar establecer la dirección de procesamiento como un estándar en los pasos posteriores.

Pulido de la superficie de la oblea

Las rodajas obtenidas a través del proceso de corte anterior se denominan "obleas desnudas", es decir, "obleas crudas" sin procesar. La superficie de la oblea desnuda es desigual y el patrón de circuito no se puede imprimir directamente en ella. Por lo tanto, es necesario eliminar primero los defectos de la superficie a través de los procesos de molienda y grabado químico, luego pulir para formar una superficie lisa y luego eliminar contaminantes residuales a través de la limpieza para obtener una oblea terminada con una superficie limpia.

Paso 2: oxidación

El papel del proceso de oxidación es formar una película protectora en la superficie de la oblea. Protege la oblea de las impurezas químicas, evita que la corriente de fuga ingrese al circuito, evita la difusión durante la implantación de iones y evita que la oblea se deslice durante el grabado.

El primer paso del proceso de oxidación es eliminar impurezas y contaminantes. Requiere cuatro pasos para eliminar la materia orgánica, las impurezas metálicas y evaporar el agua residual. Después de la limpieza, la oblea se puede colocar en un entorno de alta temperatura de 800 a 1200 grados centígrados, y una capa de dióxido de silicio (es decir, "óxido") se forma por el flujo de oxígeno o vapor en la superficie de la oblea. El oxígeno se difunde a través de la capa de óxido y reacciona con silicio para formar una capa de óxido de espesor variable, y su grosor se puede medir después de completar la oxidación.

Oxidación seca y oxidación húmeda dependiendo de los diferentes oxidantes en la reacción de oxidación, el proceso de oxidación térmica puede dividirse en oxidación seca y oxidación húmeda. El primero usa oxígeno puro para producir una capa de dióxido de silicio, que es lenta pero la capa de óxido es delgada y densa. Este último requiere oxígeno y vapor de agua altamente soluble, que se caracteriza por una tasa de crecimiento rápida pero una capa protectora relativamente gruesa con baja densidad.

Además del oxidante, hay otras variables que afectan el grosor de la capa de dióxido de silicio. Primero, la estructura de la oblea, sus defectos superficiales y la concentración de dopaje interno afectarán la velocidad de generación de la capa de óxido. Además, cuanto mayor sea la presión y la temperatura generadas por el equipo de oxidación, más rápida se generará la capa de óxido. Durante el proceso de oxidación, también es necesario usar una hoja ficticia de acuerdo con la posición de la oblea en la unidad para proteger la oblea y reducir la diferencia en el grado de oxidación.

Paso 3: fotolitografía

La fotolitografía es "imprimir" el patrón de circuito en la oblea a través de la luz. Podemos entenderlo como dibujar el mapa del plano requerido para la fabricación de semiconductores en la superficie de la oblea. Cuanto mayor sea la finura del patrón de circuito, mayor será la integración del chip terminado, que debe lograrse a través de la tecnología de fotolitografía avanzada. Específicamente, la fotolitografía se puede dividir en tres pasos: recubrimiento de fotorresistentes, exposición y desarrollo.

Revestimiento

El primer paso de dibujar un circuito en una oblea es cubrir la fotorresistencia en la capa de óxido. La fotorresistencia hace que la oblea sea un "papel fotográfico" cambiando sus propiedades químicas. Cuanto más delgada sea la capa fotorresistente en la superficie de la oblea, más uniforme es el recubrimiento y más fino es el patrón que se puede imprimir. Este paso se puede hacer mediante el método de "recubrimiento de giro". Según la diferencia en la reactividad de la luz (ultravioleta), los fotorresistros se pueden dividir en dos tipos: positivo y negativo. El primero se descompondrá y desaparecerá después de la exposición a la luz, dejando el patrón del área no expuesta, mientras que el segundo se polimerizará después de la exposición a la luz y hará que aparezca el patrón de la parte expuesta.

Exposición

Después de cubrir la película fotorresistente en la oblea, la impresión del circuito se puede completar controlando la exposición a la luz. Este proceso se llama "exposición". Podemos pasar selectivamente la luz a través del equipo de exposición. Cuando la luz pasa a través de la máscara que contiene el patrón de circuito, el circuito se puede imprimir en la oblea recubierta con la película fotorresistente a continuación.

Durante el proceso de exposición, cuanto más fino es el patrón impreso, más componentes pueden acomodar el chip final, lo que ayuda a mejorar la eficiencia de producción y reducir el costo de cada componente. En este campo, la nueva tecnología que actualmente está atrayendo mucha atención es la litografía EUV. Lam Research Group ha desarrollado conjuntamente una nueva tecnología fotorresistente de película seca con socios estratégicos ASML e IMEC. Esta tecnología puede mejorar en gran medida la productividad y el rendimiento del proceso de exposición a la litografía EUV al mejorar la resolución (un factor clave en el ancho del circuito de ajuste fino).

Desarrollo

El paso después de la exposición es rociar al desarrollador en la oblea, el propósito es eliminar la fotorresistencia en el área descubierta del patrón, para que se pueda revelar el patrón de circuito impreso. Una vez completado el desarrollo, debe ser revisado por varios equipos de medición y microscopios ópticos para garantizar la calidad del diagrama de circuito.

Paso 4: grabado

Después de que se completa la fotolitografía del diagrama de circuito en la oblea, se utiliza un proceso de grabado para eliminar cualquier película de óxido excesivo y dejar solo el diagrama del circuito de semiconductores. Para hacer esto, se usa líquido, gas o plasma para eliminar el exceso de piezas seleccionadas. Existen dos métodos principales de grabado, dependiendo de las sustancias utilizadas: grabado húmedo usando una solución química específica para reaccionar químicamente para eliminar la película de óxido y el grabado seco usando gas o plasma.

Grabado húmedo

El grabado húmedo utilizando soluciones químicas para eliminar las películas de óxido tiene las ventajas de la velocidad de grabado de bajo costo, de grabado rápido y alta productividad. Sin embargo, el grabado húmedo es isotrópico, es decir, su velocidad es la misma en cualquier dirección. Esto hace que la máscara (o película sensible) no esté completamente alineada con la película de óxido grabado, por lo que es difícil procesar diagramas de circuito muy finos.

Grabado seco

El grabado seco se puede dividir en tres tipos diferentes. El primero es el grabado químico, que utiliza gases de grabado (principalmente fluoruro de hidrógeno). Al igual que el grabado húmedo, este método es isotrópico, lo que significa que no es adecuado para un grabado fino.

El segundo método es la pulverización física, que utiliza iones en el plasma para impactar y eliminar la capa de exceso de óxido. Como método de grabado anisotrópico, el grabado de pulverización tiene diferentes tasas de grabado en las direcciones horizontales y verticales, por lo que su finura también es mejor que el grabado químico. Sin embargo, la desventaja de este método es que la velocidad de grabado es lenta porque se basa completamente en la reacción física causada por la colisión de iones.

El último tercer método es el grabado de iones reactivos (RIE). RIE combina los dos primeros métodos, es decir, mientras se usa plasma para el grabado físico de ionización, el grabado químico se lleva a cabo con la ayuda de radicales libres generados después de la activación del plasma. Además de la velocidad de grabado que excede los dos primeros métodos, RIE puede usar las características anisotrópicas de los iones para lograr un grabado de patrones de alta precisión.

Hoy en día, el grabado seco se ha utilizado ampliamente para mejorar el rendimiento de los circuitos de semiconductores finos. Mantener la uniformidad de grabado de una flor completa y el aumento de la velocidad de grabado son críticos, y el equipo de grabado seco más avanzado de hoy en día está respaldando la producción de las chips de lógica y memoria más avanzadas con mayor rendimiento.

Vetek Semiconductor es un fabricante chino profesional deRevestimiento de carburo tantalum, Revestimiento de carburo de silicio, Grafito especial, Cerámica de carburo de silicioyOtra cerámica de semiconductores. Vetek Semiconductor se compromete a proporcionar soluciones avanzadas para varios productos SIC Wafer para la industria de semiconductores.

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