Kiipide tootmine on tänapäeva maailmas kõige keerulisem protsess. See on keeruline protsess, mille viivad lõpule paljud tippettevõtted. Käesolevas artiklis püütakse seda protsessi kokku võtta ning anda selle keerulise protsessi põhjalik ja üldine kirjeldus.
Pooljuhtide tootmisprotsesse on palju ja öeldakse, et etappe on sadu või isegi tuhandeid. See ei ole liialdus. Miljardi dollari suuruse investeeringuga tehas võib teha vaid väikese osa protsessist. Sellise keeruka protsessi jaoks jagatakse see artikkel selgituseks viide põhikategooriasse: vahvlite tootmine, fotolitograafia ja söövitamine, ioonide implanteerimine, õhukese kile sadestamine ning pakendamine ja testimine.
1. Pooljuhtide valmistamise protsess – vahvlite valmistamine
Vahvlite valmistamise võib jagada 5 põhiprotsessiks:
(1) Kristalli tõmbamine
◈ Legeeritud polüräni sulab 1400 kraadi juures
◈ Sisestage kõrge puhtusastmega argooni inertgaas
◈ Asetage monokristalli räni "seeme" sulatisse ja pöörake seda aeglaselt, kui see "välja tõmmata".
◈ Ühekristalli valuploki läbimõõt määratakse temperatuuri ja ekstraheerimiskiiruse järgi
(2) Vahvlilõikamisel kasutatakse räni valuploki üksikuteks vahvliteks lõikamiseks täppissaega.
(3) Vahvlite lappimine, söövitamine
◈ Viilutatud vahvlid jahvatatakse mehaaniliselt, kasutades pöördveski ja alumiiniumoksiidi läga, et muuta vahvli pind tasaseks ja paralleelseks ning vähendada mehaanilisi defekte.
◈ Seejärel söövitatakse vahvlid mikroskoopiliste pragude või pinnakahjustuste eemaldamiseks lämmastikhappe/äädikhappe lahusesse, millele järgneb rida kõrge puhtusastmega RO/DI veevanne.
(4) Vahvlite poleerimine ja puhastamine
◈ Järgmisena poleeritakse vahvleid keemilise ja mehaanilise poleerimisprotsessi käigus, mida nimetatakse CMP-ks (Chemical Mechanical Polish). ◈ Poleerimisprotsess hõlmab tavaliselt kahte kuni kolme poleerimisetappi, kasutades üha peenemat suspensiooni, ja vahepealset puhastamist RO/DI veega. ◈ Orgaaniliste lisandite ja osakeste eemaldamiseks tehakse lõplik puhastus, kasutades SC1 lahust (ammoniaak, vesinikperoksiid ja RO/DI vesi). Seejärel kasutatakse HF-i looduslike oksiidide ja metallide lisandite eemaldamiseks ning lõpuks võimaldab SC2 lahus pinnale kasvada ülipuhtatel uutel looduslikel oksiididel. (5) Vahvlite epitaksiaalne töötlemine
◈ Epitaksiaalset kasvu (EPI) kasutatakse ühekristallilise räni kihi kasvatamiseks aurust ühekristallilise räni substraadile kõrgel temperatuuril.
◈ Aurufaasist ühekristallilise ränikihi kasvatamise protsessi nimetatakse aurufaasi epitaksiks (VPE).
SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl
SiCl4 (ränitetrakloriid)
Reaktsioon on pöörduv, st HCl lisamisel söövitatakse vahvli pinnalt räni.
Teine reaktsioon Si tekitamiseks on pöördumatu: SiH4 → Si + 2H2 (silaan)
◈ EPI kasvu eesmärk on moodustada aluspinnale erineva (tavaliselt madalama) kontsentratsiooniga elektriliselt aktiivsete lisandite kihte. Näiteks N-tüüpi kiht P-tüüpi vahvlil.
◈ Umbes 3% vahvli paksusest.
◈ Järgnevad transistoristruktuurid ei saastu.
2. Pooljuhtide tootmisprotsess – fotolitograafia Viimastel aastatel palju mainitud fotolitograafiamasin on vaid üks paljudest protsessiseadmetest. Isegi fotolitograafial on palju protsessietappe ja seadmeid.
(1) Fotoresist kate
Fotoresist on valgustundlik materjal. Vahvlile lisatakse väike kogus fotoresisti vedelikku. Vahvlit pööratakse kiirusel 1000 kuni 5000 p/min, jaotades fotoresisti ühtlaseks kattekihiks paksusega 2 kuni 200 um. Fotoresiste on kahte tüüpi: negatiivne ja positiivne. Positiivne: kokkupuude valgusega võib lõhkuda keeruka molekulaarstruktuuri, muutes selle kergesti lahustuvaks. Negatiivne: kokkupuude muudab molekulaarstruktuuri keerukamaks ja raskemini lahustuvaks. Iga fotolitograafiaetapi etapid on järgmised; ◈ Puhasta vahvel ◈ Sadestage tõkkekiht SiO2, Si3N4, metall ◈ Rakenda fotoresisti ◈ Pehme küpsetus ◈ Joonda mask ◈ Graafiline säritus ◈ Arendus ◈ Küpsetage ◈ Söövitage ◈ Eemaldage fotoresist (2) Mustri ettevalmistamine IC tarkvara, et kasutada mustrit CAD kujundamiseks Ettevalmistus igast kihist. Seejärel kantakse muster lasermustri generaatori või elektronkiire abil mustriga üle optiliselt läbipaistvale kvartssubstraadile (mallile).
(3) Mustri ülekandmine (säritus) Siin kasutatakse fotolitograafiamasinat mustri projitseerimiseks ja kopeerimiseks mallist kiibikihile.
(4) Töötlemine ja küpsetamine ◈ Pärast eksponeerimist ilmutatakse vahvel happelises või leeliselises lahuses, et eemaldada fotoresisti eksponeeritud alad. ◈ Kui säritatud fotoresist on eemaldatud, "küpsetatakse" vahvlit madalal temperatuuril, et järelejäänud fotoresist kõvastuda.
3. Pooljuhtide tootmisprotsessid – söövitamine ja ioonide istutamine (1) Märg- ja kuivsöövitamine ◈ Keemiline söövitus viiakse läbi suurel märjal platvormil. ◈ Erinevate materjalide valitud alade eemaldamiseks kasutatakse erinevat tüüpi happe-, aluse- ja söövituslahuseid. ◈ BOE ehk puhverdatud oksiidsöövitaja on valmistatud ammooniumfluoriidiga puhverdatud vesinikfluoriidhappest ja seda kasutatakse ränidioksiidi eemaldamiseks ilma selle all olevat räni- või polüränikihti söövitamata. ◈ Räninitriidi kihtide söövitamiseks kasutatakse fosforhapet. ◈ Lämmastikhapet kasutatakse metallide söövitamiseks. ◈ Fotoresist eemaldatakse väävelhappega. ◈ Kuivsöövitamiseks asetatakse vahvel söövituskambrisse ja söövitatakse plasmaga. ◈ Personali ohutus on esmatähtis. ◈ Paljud fabid kasutavad söövitusprotsessi läbiviimiseks automatiseeritud seadmeid. (2) Takistab eemaldamist
Seejärel eemaldatakse vahvlilt fotoresist täielikult, jättes vahvlile oksiidmustri.
(3) Ioonide implanteerimine
◈ Ioonide implanteerimine muudab vahvli olemasolevate kihtide täpsete alade elektrilisi omadusi.
◈ Iooniimplantaatorid kasutavad tugeva vooluga kiirenditorusid ning juht- ja teravustamismagneteid, et pommitada vahvli pinda spetsiifiliste lisandite ioonidega.
◈ Oksiid toimib barjäärina, samal ajal kui dopingkemikaalid sadestuvad pinnale ja difundeeruvad pinnale.
◈ Räni pinda kuumutatakse lõõmutamiseks 900 kraadini ja implanteeritud lisandiioonid difundeeruvad edasi ränivahvlisse.
4. Pooljuhtide tootmisprotsess – õhukese kile sadestamine
Õhukese kile sadestamiseks on palju viise ja sisu, mida kirjeldatakse ükshaaval allpool: (1) ränioksiid
Kui hapnikus on räni, kasvab SiO2 termiliselt. Hapnik pärineb hapnikust või veeaurust. Ümbritseva õhu temperatuur peab olema 900–1200 kraadi. Tekkiv keemiline reaktsioon on
Si + O2 → SiO2
Si +2H2O ->SiO2 + 2H2
Ränivahvli pind pärast selektiivset oksüdatsiooni on näidatud alloleval joonisel:
Nii hapnik kui vesi difundeeruvad läbi olemasoleva SiO2 ja ühinevad Si-ga, moodustades täiendava SiO2. Vesi (aur) hajub kergemini kui hapnik, mistõttu aur kasvab palju kiiremini.
Oksiide kasutatakse isoleeriva ja passiveeriva kihi moodustamiseks transistori paisu moodustamiseks. Värava ja õhukese oksiidikihi moodustamiseks kasutatakse kuiva hapnikku. Auru kasutatakse paksu oksiidikihi moodustamiseks. Isoleeriv oksiidikiht on tavaliselt umbes 1500 nm ja värava kiht on tavaliselt vahemikus 200 nm kuni 500 nm.
(2) Keemiline aurustamine-sadestamine
Keemiline aurustamine-sadestamine (CVD) moodustab õhukese kile substraadi pinnale termilise lagunemise ja/või gaasiliste ühendite reaktsiooni kaudu.
CVD-reaktoreid on kolme põhitüüpi: ◈ Atmosfääri keemiline aur-sadestamine
◈ Madala rõhuga CVD (LPCVD)
◈ Plasma täiustatud CVD (PECVD)
Madalrõhu CVD protsessi skemaatiline diagramm on näidatud allpool.
CVD peamised reaktsiooniprotsessid on järgmised
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->Si + 2h2 (600 kraadi)
Sadestumise kiirus 100 - 200 nm/min
Lisada võib fosforit (fosfiini), boori (diboraani) või arseeni. Polüräni saab ka pärast sadestamist difusioongaasiga legeerida.
ii). Ränidioksiiddioksiid
SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 kraad)
SiO2 kasutatakse isolaatori või passiveerimiskihina. Parema elektronvoo jõudluse saavutamiseks lisatakse tavaliselt fosforit.
iii). Räninitriid Räninitriid
3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2
(Silaan) (ammoonium) (nitriid)
(3) Pritsimine
Sihtmärki pommitatakse suure energiaga ioonidega, nagu Ar+, ning sihtmärgis olevad aatomid liigutatakse ja transporditakse substraadile.
Sihtmärkidena võib kasutada metalle nagu alumiinium ja titaan. (4) Aurustumine
Al või Au (kuld) kuumutatakse aurustumispunktini ja aur kondenseerub ja moodustab vahvli pinda katva õhukese kile.
Järgmine näide selgitab üksikasjalikult, kuidas räniplaadil olev vooluahel moodustub samm-sammult fotolitograafiast, söövitusest kuni ioonsadestamiseni:
5. Pooljuhtide tootmisprotsess – pakendamiskatse (järeltöötlus)
(1) Vahvlitest Pärast vooluringi lõpliku ettevalmistamise lõpetamist testitakse vahvlil olevaid testseadmeid defektsete toodete eemaldamiseks automaatse sondi katsemeetodi abil.
(2) Vahvli kuubikuteks lõikamine Pärast sondi testimist lõigatakse vahvel üksikuteks laastudeks.
(3) Juhtmed ja pakend ◈ Juhtraamiga ühendatakse üksikud kiibid ning alumiinium- või kuldjuhtmed termilise kokkusurumise või ultrahelikeevitusega. ◈ Pakendamine lõpetatakse seadme sulgemisega keraamilisse või plastpakendisse. ◈ Enamik kiipe tuleb enne allkasutajatele saatmist läbida lõpliku funktsionaalse testimise.
