جریان فرآیند ساخت تراشه. توضیح مفصل با عکس و متن.

ساخت تراشه پیچیده ترین فرآیند در جهان امروز است. این یک فرآیند پیچیده است که توسط بسیاری از شرکت های برتر تکمیل شده است. در این مقاله سعی شده است این فرآیند به طور خلاصه بیان شود و شرحی جامع و کلی از این فرآیند پیچیده ارائه شود.
فرآیندهای تولید نیمه هادی های زیادی وجود دارد و گفته می شود که صدها یا حتی هزاران مرحله وجود دارد. این اغراق نیست. یک کارخانه با سرمایه گذاری میلیارد دلاری ممکن است تنها بخش کوچکی از این فرآیند را انجام دهد. برای چنین فرآیند پیچیده ای، این مقاله برای توضیح به پنج دسته اصلی تقسیم می شود: ساخت ویفر، فوتولیتوگرافی و اچینگ، کاشت یون، رسوب لایه نازک، و بسته بندی و آزمایش.
1. فرآیند تولید نیمه هادی - تولید ویفر
تولید ویفر را می توان به 5 فرآیند اصلی زیر تقسیم کرد:
(1) کشش کریستال

◈ پلی سیلیکون دوپ شده در دمای 1400 درجه ذوب می شود
◈ گاز بی اثر آرگون با خلوص بالا تزریق کنید
◈ "دانه" سیلیکون تک کریستالی را در مذاب قرار دهید و هنگامی که "بیرون کشید" آن را به آرامی بچرخانید.
◈ قطر شمش تک کریستال توسط دما و سرعت استخراج تعیین می شود
(2) برش ویفر از یک "اره" دقیق برای برش شمش سیلیکون به ویفرهای جداگانه استفاده می کند.

(3) چسباندن ویفر، حکاکی

◈ ویفرهای برش خورده با استفاده از آسیاب دوار و دوغاب آلومینا به صورت مکانیکی آسیاب می شوند تا سطح ویفر صاف و موازی شود و عیوب مکانیکی کاهش یابد.

◈ سپس ویفرها در محلول اسید نیترید/اسید استیک برای از بین بردن ترک‌های میکروسکوپی یا آسیب‌های سطحی حک می‌شوند و سپس یک سری حمام‌های آب RO/DI با خلوص بالا انجام می‌شود.
(4) پرداخت و تمیز کردن ویفر
◈ در مرحله بعد، ویفرها در یک سری فرآیندهای پرداخت شیمیایی و مکانیکی به نام CMP (Chemical Mechanical Polish) پرداخت می شوند. ◈ فرآیند پولیش معمولاً شامل دو تا سه مرحله پولیش با استفاده از دوغاب های ریز فزاینده و تمیز کردن میانی با استفاده از آب RO/DI است. ◈ تمیز کردن نهایی با استفاده از محلول SC1 (آمونیاک، پراکسید هیدروژن و آب RO/DI) برای حذف ناخالصی ها و ذرات آلی انجام می شود. سپس از HF برای حذف اکسیدهای بومی و ناخالصی های فلزی استفاده می شود و در نهایت محلول SC2 اجازه می دهد تا اکسیدهای بومی جدید فوق العاده تمیز روی سطح رشد کنند. (5) پردازش اپیتاکسیال ویفر

◈ رشد همبستگی (EPI) برای رشد یک لایه سیلیکون تک کریستالی از بخار بر روی یک بستر سیلیکونی تک کریستالی در دماهای بالا استفاده می شود.
◈ فرآیند رشد یک لایه سیلیکونی تک کریستالی از فاز بخار را اپیتاکسی فاز بخار (VPE) می نامند.
SiCl{0}}H2 ↔ Si + 4HCl
SiCl4 (تتراکلرید سیلیکون)
واکنش برگشت پذیر است، یعنی اگر HCl اضافه شود، سیلیکون از سطح ویفر خارج می شود.
واکنش دیگری برای تولید Si برگشت ناپذیر است: SiH4 → Si + 2H2 (سیلان)
◈ هدف از رشد EPI تشکیل لایه‌هایی با غلظت‌های مختلف (معمولاً پایین‌تر) از مواد ناخالص فعال الکتریکی روی بستر است. به عنوان مثال، یک لایه از نوع N روی یک ویفر نوع P.
◈ حدود 3 درصد ضخامت ویفر.
◈ بدون آلودگی به ساختارهای ترانزیستور بعدی.

2. فرآیند ساخت نیمه هادی - فوتولیتوگرافی دستگاه فوتولیتوگرافی که در سال های اخیر بسیار از آن یاد شده است، تنها یکی از تجهیزات فرآیندی بسیار است. حتی فوتولیتوگرافی مراحل و تجهیزات زیادی دارد.
(1) پوشش مقاوم به نور

Photoresist یک ماده حساس به نور است. مقدار کمی مایع مقاوم به نور به ویفر اضافه می شود. ویفر با سرعت 1000 تا 5000 دور در دقیقه چرخانده می شود و مقاومت نوری را در یک پوشش یکنواخت به ضخامت 2 تا 200 میلی متر پخش می کند. دو نوع نور مقاوم وجود دارد: منفی و مثبت. مثبت: قرار گرفتن در معرض نور می تواند ساختار مولکولی پیچیده را از بین ببرد و به راحتی حل شود. منفی: قرار گرفتن در معرض، ساختار مولکولی را پیچیده تر می کند و انحلال آن را دشوارتر می کند. مراحل انجام هر مرحله فوتولیتوگرافی به شرح زیر است. ◈ ویفر را تمیز کنید ◈ لایه مانع رسوب SiO2، Si3N4، فلز ◈ اعمال مقاوم در برابر نور ◈ پخت نرم ◈ تراز کردن ماسک ◈ نوردهی گرافیکی ◈ توسعه ◈ پخت ◈ اچ ◈ حذف الگوی طراحی قبل از AD برای طراحی الگوی IC از هر لایه سپس الگو با استفاده از مولد الگوی لیزری یا پرتو الکترونی به یک بستر کوارتز شفاف نوری (قالب) منتقل می‌شود.

(3) انتقال الگو ( نوردهی

(4) توسعه و پخت ◈ پس از قرار گرفتن در معرض، ویفر در محلول اسیدی یا قلیایی ایجاد می شود تا نواحی در معرض نور مقاوم به نور را حذف کند. ◈ هنگامی که فتورزیست در معرض دید برداشته شد، ویفر در دمای پایین "پخت" می شود تا مقاومت نوری باقیمانده سفت شود.

3. فرآیندهای ساخت نیمه هادی - اچینگ و کاشت یون (1) اچینگ مرطوب و خشک ◈ اچ شیمیایی بر روی یک پلت فرم مرطوب بزرگ انجام می شود. ◈ انواع مختلف محلول های اسید، باز و سوزاننده برای حذف مناطق انتخاب شده از مواد مختلف استفاده می شود. ◈ BOE، یا اچ اکسید بافر، از اسید هیدروفلوئوریک بافر شده با فلوراید آمونیوم ساخته شده است و برای حذف دی اکسید سیلیکون بدون اچ کردن لایه سیلیکون یا پلی سیلیکون زیرین استفاده می شود. ◈ اسید فسفریک برای حکاکی لایه های نیترید سیلیکون استفاده می شود. ◈ اسید نیتریک برای حکاکی فلزات استفاده می شود. ◈ Photoresist با اسید سولفوریک حذف می شود. ◈ برای اچینگ خشک، ویفر را در محفظه اچ قرار داده و توسط پلاسما اچ می شود. ◈ ایمنی پرسنل یک نگرانی اولیه است. ◈ بسیاری از کارخانه ها از تجهیزات خودکار برای انجام فرآیند اچ استفاده می کنند. (2) مقاومت در برابر سلب کردن
سپس فتوریست به طور کامل از ویفر جدا می شود و یک الگوی اکسید روی ویفر باقی می ماند.

(3) کاشت یون
◈ کاشت یون خواص الکتریکی نواحی دقیق را در لایه های موجود روی ویفر تغییر می دهد.
◈ کاشت یون ها از لوله های شتاب دهنده جریان بالا و آهنرباهای هدایت کننده و متمرکز برای بمباران سطح ویفر با یون های ناخالصی خاص استفاده می کنند.
◈ اکسید به عنوان یک مانع عمل می کند در حالی که مواد شیمیایی دوپینگ روی سطح رسوب کرده و در سطح پخش می شوند.
◈ سطح سیلیکون برای بازپخت تا 900 درجه گرم می شود و یون های ناخالص کاشته شده بیشتر در ویفر سیلیکونی پخش می شوند.

4. فرآیند ساخت نیمه هادی - رسوب لایه نازک
روش ها و محتویات زیادی برای رسوب لایه نازک وجود دارد که در زیر یکی یکی توضیح داده شده است: (1) اکسید سیلیکون
وقتی سیلیکون در اکسیژن وجود داشته باشد، SiO2 از نظر حرارتی رشد می کند. اکسیژن از اکسیژن یا بخار آب به دست می آید. دمای محیط باید 900 تا 1200 درجه باشد. واکنش شیمیایی که رخ می دهد این است
Si + O2 → SiO2
Si +2H2O ->SiO2 + 2H2
سطح ویفر سیلیکونی پس از اکسیداسیون انتخابی در شکل زیر نشان داده شده است:

هم اکسیژن و هم آب از طریق SiO2 موجود پخش می شوند و با Si ترکیب می شوند تا SiO2 اضافی را تشکیل دهند. آب (بخار) راحتتر از اکسیژن پخش می شود، بنابراین بخار بسیار سریعتر رشد می کند.
از اکسید برای ایجاد یک لایه عایق و غیرفعال برای تشکیل گیت ترانزیستور استفاده می شود. برای تشکیل دروازه و لایه نازک اکسید از اکسیژن خشک استفاده می شود. بخار برای تشکیل یک لایه اکسید ضخیم استفاده می شود. لایه اکسید عایق معمولاً حدود 1500 نانومتر است و لایه دروازه معمولاً بین 200 نانومتر تا 500 نانومتر است.
(2) رسوب بخار شیمیایی

رسوب شیمیایی بخار (CVD) از طریق تجزیه حرارتی و/یا واکنش ترکیبات گازی، یک لایه نازک بر روی سطح یک بستر تشکیل می دهد.
سه نوع اصلی از راکتورهای CVD وجود دارد: ◈ رسوب بخار شیمیایی اتمسفر
◈ CVD کم فشار (LPCVD)
◈ CVD افزایش یافته پلاسما (PECVD)
نمودار شماتیک فرآیند CVD فشار پایین در زیر نشان داده شده است.

فرآیندهای اصلی واکنش CVD به شرح زیر است
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->Si + 2h2 (600 درجه)
نرخ رسوب 100 - 200 نانومتر در دقیقه
فسفر (فسفین)، بور (دیبوران) یا گاز آرسنیک را می توان اضافه کرد. پلی سیلیکون همچنین می تواند پس از رسوب با گاز انتشار دوپ شود.
II). دی اکسید سیلیکون دی اکسید
SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 درجه)
SiO2 به عنوان عایق یا لایه غیرفعال استفاده می شود. فسفر معمولاً برای به دست آوردن عملکرد بهتر جریان الکترون اضافه می شود.
III). نیترید سیلیکون سییکون نیترید
3SiH4 + 4NH3 ->Si3N{1}}H2
(سیلان) (آمونیاک) (نیترید)
(3) کندوپاش کردن
هدف با یون‌های پرانرژی مانند Ar+ بمباران می‌شود و اتم‌های موجود در هدف جابه‌جا می‌شوند و به زیرلایه منتقل می‌شوند.
از فلزاتی مانند آلومینیوم و تیتانیوم می توان به عنوان هدف استفاده کرد. (4) تبخیر
Al یا Au (طلا) تا نقطه تبخیر گرم می شود و بخار متراکم می شود و لایه نازکی را تشکیل می دهد که سطح ویفر را می پوشاند.
مثال زیر به تفصیل توضیح می دهد که چگونه مدار روی ویفر سیلیکونی گام به گام از فتولیتوگرافی، اچینگ تا رسوب یونی تشکیل می شود:

5. فرآیند ساخت نیمه هادی - تست بسته بندی (پس از پردازش)
(1) تست ویفر پس از تکمیل آماده سازی مدار نهایی، دستگاه های تست روی ویفر با استفاده از روش تست پروب خودکار برای حذف محصولات معیوب آزمایش می شوند.
(2) ویفر دیس پس از آزمایش پروب، ویفر را به تراشه های جداگانه برش می دهیم.
(3) سیم کشی و بسته بندی ◈ تراشه های جداگانه به قاب سرب وصل می شوند و سرنخ های آلومینیومی یا طلایی با فشرده سازی حرارتی یا جوشکاری اولتراسونیک متصل می شوند. ◈ بسته بندی با آب بندی دستگاه در بسته بندی سرامیکی یا پلاستیکی تکمیل می شود. ◈ بیشتر تراشه ها هنوز باید قبل از ارسال به کاربران پایین دستی، آزمایش عملکرد نهایی را انجام دهند.