Fremstilling af halvlederkomponenter involverer en række komplekse produktionsprocesser for at omdanne råmaterialer til færdige komponenter til forskellige applikationer, der giver kritiske kontrol- og registreringsfunktioner.
Fremstilling af halvledere involverer en række komplekse processer til at omdanne råmaterialer til færdige komponenter. Halvlederfremstillingsprocessen omfatter generelt fire hovedstadier: waferfremstilling, wafertestsamling eller -pakning og endelig testning. Hver fase har sine egne unikke udfordringer og muligheder.
Halvlederfremstillingsprocessen står også over for mange udfordringer, herunder omkostninger, kompleksitet, mangfoldighed og udbytte, men bringer også store muligheder for innovation og udvikling. Ved at tage fat på vanskelighederne og gribe mulighederne kan vi fremme udviklingen af nye teknologier til at ændre den måde, vi lever og arbejder på, samtidig med at vi gør det muligt for industrien at fortsætte med at udvikle sig og vokse.
一. Oversigt over halvlederfremstillingsprocessen
Processen med fremstilling af halvledere kan opdeles i følgende nøgletrin.
1. Forberedelse af wafer
Siliciumwafers vælges som udgangsmateriale til halvlederprocessen. Vaflerne renses, poleres og klargøres til brug som underlag til fremstilling af elektroniske komponenter.
2. Mønstring
I denne proces skabes mønstre på siliciumwafers ved hjælp af en proces kaldet fotolitografi. Et lag af korrosionsbestandig fotoresist påføres overfladen af waferen, og derefter placeres en maske oven på waferen. Masken har et mønster svarende til de relevante præfabrikerede elektroniske komponenter. Mønsteret overføres derefter fra masken til fotoresistlaget ved hjælp af ultraviolet lys. De eksponerede fotoresistområder fjernes derefter og efterlader en mønstret overflade på waferen.
3. Materialedoping
I dette trin tilsættes materialer til siliciumwaferen for at ændre dens elektriske egenskaber. De mest almindeligt anvendte materialer er bor eller fosfor, som kan tilsættes i små mængder for at fremstille henholdsvis p-type eller n-type halvledere. Disse materialer implanteres i overfladen af waferen ved hjælp af ionacceleration i en proces kaldet ionimplantation.
4. Wafer-aflejringsbehandling
Under denne proces aflejres tyndfilmsmaterialer på en wafer for at skabe elektroniske komponenter. Dette kan opnås gennem en række forskellige teknikker, herunder kemisk dampaflejring (CVD), fysisk dampaflejring (PVD) og atomlagsdeposition (ALD). Disse processer kan bruges til at afsætte materialer som metaller, oxider og nitrider.
5. Radering
Fjernelse af en del af materialet fra overfladen af waferen for at producere den form og struktur, der kræves til den elektroniske komponent. Ætsning kan udføres ved hjælp af en række forskellige teknikker, herunder vådætsning, tørætsning og plasmaætsning. Disse processer bruger kemikalier eller plasma til selektivt at fjerne specifikke materialer fra waferen.
6. Emballage
Elektroniske komponenter pakkes ind i et slutprodukt, der kan bruges i elektroniske enheder. Dette omfatter tilslutning af komponenterne til et substrat, såsom et printkort, og derefter tilslutning af dem til andre komponenter ved hjælp af ledninger eller andre midler. Halvlederprocesser er meget komplekse og involverer en række specialiseret udstyr og materialer. Disse processer er afgørende for fremstillingen af moderne elektroniske enheder og fortsætter med at udvikle sig med gentagelsen af nye teknologier.
Typisk tager processen med at producere halvlederchips fra et par uger til et par måneder. Fra det første trin skal der fremstilles en siliciumwafer for at tjene som substrat for chippen. Denne proces omfatter typisk følgende processer, rengøring, deponering, litografi, ætsning og doping. Waferen skal muligvis gennemgå hundredvis af forskellige procesoperationer, så hele wafer-fremstillingsprocessen kan tage op til 16-18 uger.
Når de enkelte chips er fremstillet på waferen, skal de adskilles og pakkes i individuelle enheder. Dette inkluderer også at teste hver chip for at sikre, at den opfylder specifikationerne, og derefter adskille den fra waferen og montere den på pakken eller substratet. Efter at chipsene er pakket, vil de gennemgå en streng testproces for at sikre, at de opfylder kvalitetsstandarder og opnår de forventede funktioner. Dette inkluderer at køre elektroniske tests, funktionelle tests og andre typer verifikationstests for at identificere eventuelle defekter eller problemer. Dette afhænger også af kompleksiteten af chippen og de påkrævede testkrav, så denne pakke- og testproces kan tage 8-10 uger.
Alt i alt kan hele processen med at producere halvlederchips tage flere uger eller måneder, fordi det afhænger af de relevante teknologier, der anvendes, og kompleksiteten af chipdesignet.
2. Tendenser og udfordringer i halvlederfremstilling
1. Mønsteroverførsel
Fremskridt inden for mønsteroverførselsteknologi er blevet en vigtig drivkraft for den hurtige udvikling af halvlederindustrien, hvilket muliggør fremstilling af mindre og mere komplekse elektroniske komponenter.
Et stort fremskridt inden for mønsteroverførselsteknologi er udviklingen af avanceret litografi, som er processen med at overføre mønstre til et medium ved hjælp af lys eller andre strålingskilder. Især litografiteknologier udviklet i de senere år, såsom ekstrem ultraviolet (EUV) litografi og multipel mønsterteknologi, bruges til at producere mindre og mere kompleks grafik.
EUV litografi bruger ekstremt kort bølgelængde lysstråler til at skabe ekstremt præcise mønstre på silicium wafers. Denne teknologi kan skabe størrelser så små som nogle få nanometer, hvilket er afgørende for fremstillingen af avancerede elektroniske komponenter såsom mikroprocessorer.
Multiple patterning er en anden litografiteknologi, der kan skabe mindre mønstre. Denne teknologi involverer at nedbryde et enkelt mønster i flere mikropolære mønstre og derefter overføre dem til overfladen af waferen. Som et resultat kan det skabte mønster være mindre end bølgelængden af stråling, der bruges i litografi.
2. Doping
Doteringsmidler er tilsætning af specifikke medier til siliciumwafers for at ændre deres elektriske egenskaber. Fremskridt inden for dopingteknologi har været en nøglefaktor i den hurtige udvikling af halvlederindustrien. Dette teknologiske fremskridt skyldes fremkomsten af nye dielektriske materialer.
Traditionelt er bor og fosfor de mest anvendte dopingmaterialer, fordi de kan producere henholdsvis p-type og n-type halvledere. Men i de senere år er der udviklet nye materialer som germanium, arsen og antimon, som kan bruges til at fremstille mere komplekse elektroniske komponenter.
Et andet fremskridt inden for dopingteknologi er udviklingen af mere præcise dopingprocesser. Tidligere var ionimplantation den vigtigste teknologi, der blev brugt til doping, hvilket involverede brugen af højhastighedsioner til at implantere dielektrikum i overfladen af waferen. Selvom ionimplantation stadig er almindeligt anvendt, er nye teknologier såsom molekylær stråleepitaxi (MBE) og kemisk dampaflejring (CVD) blevet udviklet for at muliggøre mere præcis kontrol af dopingprocessen.
3. Deponering
Afsætning er en anden nøgleproces i halvlederfremstilling, som involverer afsætning af en tynd film af materiale på et substrat. Denne proces kan opnås gennem forskellige teknologier, såsom fysisk dampaflejring (PVD), kemisk dampaflejring (CVD), atomlagsdeposition (ALD) osv.
Samtidig udvikles nye teknologier også konstant, herunder metalorganisk kemisk dampaflejring (MOCVD), plasmaforstærket aflejring, roll-to-roll deposition mv.
4. Radering
Ætsning involverer fjernelse af specifikke dele af halvledermaterialer for at skabe mønstre eller strukturer. Fremskridt inden for ætsningsteknologi er hovedårsagen til den hurtige udvikling af halvlederindustrien og er også en nøgleteknologi til fremstilling af mindre og mere komplekse elektroniske komponenter.
Tidligere var vådætsning den vigtigste teknologi, der almindeligvis anvendes, som involverer nedsænkning af waferen i en opløsning, der opløser materialet. Vådætsning er dog ikke præcis og kan forårsage skade på tilstødende strukturer.
Fremkomsten af tør ætsningsteknologi har muliggjort mere præcis og meget kontrollerbar ætsningsproduktion, såsom reaktiv ionætsning (RIE) og plasmaætsning. RIE er en teknologi, der bruger reaktive ioner til selektivt at fjerne materiale fra en wafer, hvilket tillader præcis kontrol af ætseprocessen.
Plasmaætsning er en lignende teknologi, der bruger gasplasma til at fjerne materiale, men den har den ekstra fordel, at den selektivt fjerner specifikke materialer, såsom metaller eller silicium.
5. Emballage
Emballageprocessen i halvlederfremstilling involverer indkapsling af et integreret kredsløb i et beskyttende hus, der også giver elektriske forbindelser til omverdenen. Emballageprocessen påvirker ydeevnen, pålideligheden og omkostningerne ved det endelige produkt.
3D-pakning involverer at stable flere chips sammen for at skabe integrerede kredsløb med høj tæthed. Denne teknologi kan reducere enhedens samlede størrelse og forbedre dens ydeevne, samtidig med at den reducerer strømforbruget.
Fan-out-emballage er en teknologi, der indlejrer integrerede kredsløb i et lag af epoxystøbemasse, ved hjælp af kobbersøjler, der viftes ud fra chippen til elektriske forbindelser. Denne teknologi muliggør højdensitetsemballage i en mindre størrelse.
System-in-Package (SiP) er en anden teknologi, der integrerer flere chips, sensorer og andre komponenter i en enkelt pakke. Det kan reducere enhedens samlede størrelse, samtidig med at det forbedrer dens samlede ydeevne.
