Pooljuhtkomponentide tootmine hõlmab mitmeid keerulisi tootmisprotsesse, mille eesmärk on muuta toorained valmiskomponentideks erinevate rakenduste jaoks, mis pakuvad kriitilisi juhtimis- ja tuvastusfunktsioone.
Pooljuhtide tootmine hõlmab mitmeid keerulisi protsesse, mille eesmärk on muuta toorained lõplikeks valmiskomponentideks. Pooljuhtide tootmisprotsess hõlmab üldiselt nelja peamist etappi: vahvlite valmistamine, vahvlitesti kokkupanek või pakendamine ja lõplik testimine. Igal etapil on oma ainulaadsed väljakutsed ja võimalused.
Pooljuhtide tootmisprotsess seisab silmitsi ka paljude väljakutsetega, sealhulgas kulude, keerukuse, mitmekesisuse ja tootlikkusega, kuid pakub ka suurepäraseid uuendus- ja arenguvõimalusi. Raskustega tegeledes ja võimalustest kinni haarates saame edendada uute tehnoloogiate arendamist, et muuta meie elu- ja tööviisi, võimaldades samal ajal tööstusel edasi areneda ja kasvada.
一. Ülevaade pooljuhtide tootmisprotsessist
Pooljuhtide valmistamise protsessi võib jagada järgmisteks peamisteks etappideks.
1. Vahvlite valmistamine
Pooljuhtprotsessi lähtematerjaliks valitakse räniplaadid. Vahvlid puhastatakse, poleeritakse ja valmistatakse ette kasutamiseks substraatidena elektrooniliste komponentide valmistamisel.
2. Mustrimine
Selle protsessi käigus luuakse räniplaatidele mustrid, kasutades protsessi, mida nimetatakse fotolitograafiaks. Vahvli pinnale kantakse kiht korrosioonikindlat fotoresisti ja seejärel asetatakse vahvli peale mask. Maskil on vastavatele eelnevalt valmistatud elektroonikakomponentidele vastav muster. Seejärel kantakse muster ultraviolettvalguse abil maskilt fotoresistikihile. Seejärel eemaldatakse eksponeeritud fotoresisti alad, jättes vahvlile mustrilise pinna.
3. Materjali doping
Selles etapis lisatakse räniplaadile materjale, et muuta selle elektrilisi omadusi. Kõige sagedamini kasutatavad materjalid on boor või fosfor, mida saab lisada väikestes kogustes, et toota vastavalt p- või n-tüüpi pooljuhte. Need materjalid implanteeritakse vahvli pinnale, kasutades ioonikiirendust protsessis, mida nimetatakse ioonide implanteerimiseks.
4. Vahvlite sadestamise töötlemine
Selle protsessi käigus kantakse elektroonikakomponentide loomiseks vahvlile õhukesed kilematerjalid. Seda on võimalik saavutada mitmesuguste tehnikate, sealhulgas keemilise aurustamise-sadestamise (CVD), füüsilise aurustamise-sadestamise (PVD) ja aatomkihtsadestamise (ALD) abil. Neid protsesse saab kasutada materjalide, näiteks metallide, oksiidide ja nitriidide sadestamiseks.
5. Söövitus
Osa materjali eemaldamine vahvli pinnalt, et saada elektroonikakomponendile vajalik kuju ja struktuur. Söövitamist saab läbi viia mitmesuguste tehnikate abil, sealhulgas märgsöövitus, kuivsöövitamine ja plasmasöövitus. Nendes protsessides kasutatakse kindlate materjalide valikuliseks eemaldamiseks vahvlilt kemikaale või plasmat.
6. Pakendamine
Elektroonilised komponendid pakitakse lõpptooteks, mida saab kasutada elektroonikaseadmetes. See hõlmab komponentide ühendamist substraadiga, näiteks trükkplaadiga, ja seejärel nende ühendamist teiste komponentidega juhtmete või muude vahendite abil. Pooljuhtide protsessid on väga keerulised ja hõlmavad mitmesuguseid spetsiaalseid seadmeid ja materjale. Need protsessid on kaasaegsete elektroonikaseadmete tootmiseks hädavajalikud ja arenevad edasi koos uute tehnoloogiate iteratsiooniga.
Tavaliselt kestab pooljuhtkiipide tootmisprotsess mõnest nädalast kuni mõne kuuni. Alates esimesest etapist tuleb valmistada räniplaat, mis toimiks kiibi substraadina. See protsess hõlmab tavaliselt järgmisi protsesse: puhastamine, sadestamine, litograafia, söövitamine ja doping. Vahvlil võib olla vaja läbida sadu erinevaid protsessitoiminguid, seega võib kogu vahvli tootmisprotsess kesta kuni 16-18 nädalat.
Kui üksikud kiibid on vahvlile valmistatud, tuleb need eraldada ja pakkida üksikuteks ühikuteks. See hõlmab ka iga kiibi testimist, et veenduda, et see vastab spetsifikatsioonidele, ning seejärel vahvli küljest eraldada ja pakendile või aluspinnale paigaldada. Pärast kiipide pakkimist läbivad need range testimise, et tagada nende vastavus kvaliteedistandarditele ja oodatud funktsioonid. See hõlmab elektrooniliste testide, funktsionaalsete testide ja muud tüüpi kinnitustestide käitamist, et tuvastada defekte või probleeme. See sõltub ka kiibi keerukusest ja nõutavatest testimisnõuetest, seega võib see pakkimine ja testimine võtta aega 8-10 nädalat.
Kokkuvõttes võib kogu pooljuhtkiipide valmistamise protsess kesta mitu nädalat või kuud, sest see sõltub kasutatavatest asjakohastest tehnoloogiatest ja kiibi disaini keerukusest.
2. Pooljuhtide tootmise suundumused ja väljakutsed
1. Mustri ülekandmine
Mustri ülekandetehnoloogia edusammud on muutunud pooljuhtide tööstuse kiire arengu peamiseks tõukejõuks, võimaldades toota väiksemaid ja keerukamaid elektroonikakomponente.
Suureks edusammuks mustrite ülekandetehnoloogias on täiustatud litograafia väljatöötamine, mis on mustrite ülekandmine keskkonda valguse või muude kiirgusallikate abil. Eelkõige kasutatakse väiksema ja keerukama graafika tootmiseks viimastel aastatel välja töötatud litograafiatehnoloogiaid, nagu äärmuslik ultraviolett (EUV) litograafia ja mitme mustritehnoloogia.
EUV litograafia kasutab äärmiselt lühikese lainepikkusega valgusvihku, et luua räniplaatidele ülitäpseid mustreid. See tehnoloogia võib luua kuni mõne nanomeetri suuruseid suurusi, mis on hädavajalikud täiustatud elektrooniliste komponentide, näiteks mikroprotsessorite, tootmiseks.
Mitu mustrit on veel üks litograafiatehnoloogia, mis võib luua väiksemaid mustreid. See tehnoloogia hõlmab ühe mustri jagamist mitmeks mikropolaarseks mustriks ja nende kandmist vahvli pinnale. Selle tulemusena võib loodud muster olla väiksem kui litograafias kasutatava kiirguse lainepikkus.
2. Doping
Lisandid on spetsiifiliste kandjate lisamine räniplaatidele, et muuta nende elektrilisi omadusi. Dopingutehnoloogia edusammud on olnud pooljuhtide tööstuse kiire arengu võtmetegur. See tehnoloogiline areng on tingitud uute dielektriliste materjalide ilmumisest.
Traditsiooniliselt on kõige sagedamini kasutatavad dopingmaterjalid boor ja fosfor, kuna need võivad toota vastavalt p- ja n-tüüpi pooljuhte. Viimastel aastatel on aga välja töötatud uusi materjale, nagu germaanium, arseen ja antimon, mida saab kasutada keerukamate elektroonikakomponentide valmistamiseks.
Teine edusamm dopingutehnoloogias on täpsemate dopinguprotsesside edenemine. Varem oli ioonide implanteerimine peamine dopingutehnoloogia, mis hõlmas kiirete ioonide kasutamist dielektrikute implanteerimiseks vahvli pinnale. Kuigi ioonide implanteerimist kasutatakse endiselt laialdaselt, on dopinguprotsessi täpsemaks kontrollimiseks välja töötatud uued tehnoloogiad, nagu molekulaarkiire epitaksia (MBE) ja keemiline aurustamine-sadestamine (CVD).
3. Ladestumine
Sadestamine on pooljuhtide valmistamise teine võtmeprotsess, mis hõlmab õhukese materjalikile sadestamist substraadile. Seda protsessi on võimalik saavutada erinevate tehnoloogiate abil, nagu füüsiline aurustamine-sadestamine (PVD), keemiline aurustamine-sadestamine (CVD), aatomkihtsadestamine (ALD) jne.
Samal ajal arenevad pidevalt ka uued tehnoloogiad, sealhulgas metallide orgaaniline keemiline aurustamine-sadestamine (MOCVD), plasmasadestamine, rull-rull-sadestamine jne.
4. Söövitus
Söövitamine hõlmab pooljuhtmaterjalide teatud osade eemaldamist mustrite või struktuuride loomiseks. Söövitustehnoloogia edusammud on pooljuhtide tööstuse kiire arengu peamiseks põhjuseks ning ühtlasi võtmetehnoloogia väiksemate ja keerukamate elektroonikakomponentide valmistamisel.
Varem oli märgsöövitus peamine tavaliselt kasutatav tehnoloogia, mis hõlmab vahvli sukeldamist materjali lahustavasse lahusesse. Märgsöövitus ei ole aga täpne ja võib kahjustada külgnevaid konstruktsioone.
Kuivsöövituse tehnoloogia esilekerkimine on võimaldanud täpsemat ja paremini kontrollitavat söövitamist, näiteks reaktiivioonide söövitamist (RIE) ja plasmasöövitust. RIE on tehnoloogia, mis kasutab reaktiivseid ioone materjali valikuliseks eemaldamiseks vahvlilt, võimaldades söövitusprotsessi täpselt juhtida.
Plasma söövitamine on sarnane tehnoloogia, mis kasutab materjali eemaldamiseks gaasiplasmat, kuid selle lisaeelis on teatud materjalide, näiteks metallide või räni, valikuline eemaldamine.
5. Pakendamine
Pakkimisprotsess pooljuhtide tootmises hõlmab integraallülituse kapseldamist kaitseümbrisesse, mis tagab ka elektriühendused välismaailmaga. Pakkimisprotsess mõjutab lõpptoote jõudlust, töökindlust ja maksumust.
3D-pakendamine hõlmab mitme kiibi virnastamist, et luua suure tihedusega integraallülitused. See tehnoloogia võib vähendada seadme üldist suurust ja parandada selle jõudlust, vähendades samal ajal ka energiatarbimist.
Fan-out pakend on tehnoloogia, mis integreerib integraallülitused epoksüvormimismassi kihti, kasutades elektriliste ühenduste jaoks kiibist välja lehvitatud vasest sammasid. See tehnoloogia võimaldab suure tihedusega pakendeid väiksemas suuruses.
System-in-Package (SiP) on teine tehnoloogia, mis integreerib mitu kiipi, andureid ja muid komponente ühte paketti. See võib vähendada seadme üldist suurust, parandades samal ajal ka selle üldist jõudlust.