Tillverkning av halvledarkomponenter involverar en serie komplexa produktionsprocesser för att omvandla råmaterial till färdiga komponenter för olika applikationer som ger kritiska kontroll- och avkänningsfunktioner.
Halvledartillverkning involverar en serie komplexa processer för att omvandla råmaterial till färdiga komponenter. Halvledartillverkningsprocessen innefattar i allmänhet fyra huvudsteg: wafertillverkning, wafertestsammansättning eller förpackning och slutlig testning. Varje steg har sina egna unika utmaningar och möjligheter.
Halvledartillverkningsprocessen står också inför många utmaningar, inklusive kostnader, komplexitet, mångfald och utbyte, men ger också stora möjligheter för innovation och utveckling. Genom att ta itu med svårigheterna och ta vara på möjligheterna kan vi främja utvecklingen av ny teknik för att förändra vårt sätt att leva och arbeta, samtidigt som vi gör det möjligt för branschen att fortsätta utvecklas och växa.
一. Översikt över halvledartillverkningsprocessen
Processen för tillverkning av halvledare kan delas in i följande nyckelsteg.
1. Beredning av rån
Kiselwafers väljs som utgångsmaterial för halvledarprocessen. Skivorna rengörs, poleras och förbereds för användning som substrat för tillverkning av elektroniska komponenter.
2. Mönster
I denna process skapas mönster på kiselwafers med hjälp av en process som kallas fotolitografi. Ett lager av korrosionsbeständig fotoresist appliceras på ytan av wafern, och sedan placeras en mask ovanpå wafern. Masken har ett mönster som motsvarar de relevanta förtillverkade elektroniska komponenterna. Mönstret överförs sedan från masken till fotoresistskiktet med hjälp av ultraviolett ljus. De exponerade fotoresistområdena avlägsnas sedan och lämnar en mönstrad yta på skivan.
3. Materialdopning
I detta steg läggs material till kiselskivan för att ändra dess elektriska egenskaper. De mest använda materialen är bor eller fosfor, som kan tillsättas i små mängder för att framställa halvledare av p-typ respektive n-typ. Dessa material implanteras i ytan av skivan med hjälp av jonacceleration i en process som kallas jonimplantation.
4. Bearbetning av waferdeponering
Under denna process avsätts tunna filmmaterial på en wafer för att skapa elektroniska komponenter. Detta kan uppnås genom en mängd olika tekniker, inklusive kemisk ångavsättning (CVD), fysisk ångdeposition (PVD) och atomskiktsdeposition (ALD). Dessa processer kan användas för att avsätta material som metaller, oxider och nitrider.
5. Etsning
Ta bort en del av materialet från skivans yta för att skapa den form och struktur som krävs för den elektroniska komponenten. Etsning kan utföras med en mängd olika tekniker, inklusive våtetsning, torretsning och plasmaetsning. Dessa processer använder kemikalier eller plasma för att selektivt ta bort specifika material från skivan.
6. Förpackning
Elektroniska komponenter förpackas till en slutprodukt som kan användas i elektroniska enheter. Detta inkluderar att ansluta komponenterna till ett substrat såsom ett tryckt kretskort, och sedan ansluta dem till andra komponenter med hjälp av kablar eller andra medel. Halvledarprocesser är mycket komplexa och involverar en mängd specialiserad utrustning och material. Dessa processer är väsentliga för tillverkningen av moderna elektroniska enheter och fortsätter att utvecklas med iterationen av ny teknik.
Vanligtvis tar processen att producera halvledarchips från några veckor till några månader. Från och med det första steget måste en kiselwafer tillverkas för att fungera som substrat för chipet. Denna process inkluderar vanligtvis följande processer, rengöring, deponering, litografi, etsning och dopning. Wafern kan behöva genomgå hundratals olika processoperationer, så hela wafertillverkningsprocessen kan ta upp till 16-18 veckor.
När de enskilda chipsen har tillverkats på wafern måste de separeras och förpackas i individuella enheter. Detta inkluderar också att testa varje chip för att säkerställa att det uppfyller specifikationerna, och sedan separera det från wafern och montera det på förpackningen eller substratet. Efter att chipsen är förpackade kommer de att gå igenom en rigorös testprocess för att säkerställa att de uppfyller kvalitetsstandarder och uppnår de förväntade funktionerna. Detta inkluderar att köra elektroniska tester, funktionstester och andra typer av verifieringstester för att identifiera eventuella defekter eller problem. Detta beror också på chipets komplexitet och de testkrav som krävs, så den här paketerings- och testprocessen kan ta 8-10 veckor.
Sammantaget kan hela processen för att producera halvledarchip ta flera veckor eller månader, eftersom det beror på den relevanta tekniken som används och komplexiteten i chipdesignen.
2. Trender och utmaningar inom halvledartillverkning
1. Mönsteröverföring
Framsteg inom mönsteröverföringsteknologi har blivit en viktig drivkraft för den snabba utvecklingen av halvledarindustrin, vilket möjliggör tillverkning av mindre och mer komplexa elektroniska komponenter.
Ett stort framsteg inom mönsteröverföringsteknologi är utvecklingen av avancerad litografi, vilket är processen att överföra mönster till ett medium med hjälp av ljus eller andra strålningskällor. I synnerhet litografitekniker som utvecklats under de senaste åren, såsom extrem ultraviolett (EUV) litografi och multipelmönsterteknik, används för att producera mindre och mer komplex grafik.
EUV-litografi använder ljusstrålar med extremt korta våglängder för att skapa extremt exakta mönster på kiselskivor. Denna teknik kan skapa storlekar så små som några få nanometer, vilket är väsentligt för tillverkning av avancerade elektroniska komponenter som mikroprocessorer.
Multipelmönster är en annan litografiteknik som kan skapa mindre mönster. Denna teknik innebär att bryta ner ett enda mönster i flera mikropolära mönster och sedan överföra dem till skivans yta. Som ett resultat kan det skapade mönstret vara mindre än våglängden för strålning som används i litografi.
2. Dopning
Dopningsmedel är tillsats av specifika media till kiselskivor för att ändra deras elektriska egenskaper. Framstegen inom dopningstekniken har varit en nyckelfaktor i den snabba utvecklingen av halvledarindustrin. Detta tekniska framsteg beror på uppkomsten av nya dielektriska material.
Traditionellt är bor och fosfor de vanligaste dopningsmaterialen eftersom de kan producera halvledare av p-typ respektive n-typ. Men under senare år har nya material som germanium, arsenik och antimon utvecklats och kan användas för att tillverka mer komplexa elektroniska komponenter.
Ett annat framsteg inom dopningsteknologin är utvecklingen av mer exakta dopningsprocesser. Tidigare var jonimplantation den huvudsakliga tekniken som användes för dopning, vilket involverade användningen av höghastighetsjoner för att implantera dielektriska komponenter i ytan av skivan. Även om jonimplantation fortfarande är vanligt förekommande har nya teknologier som molekylär strålepitaxi (MBE) och kemisk ångdeposition (CVD) utvecklats för att möjliggöra mer exakt kontroll av dopningsprocessen.
3. Deponering
Deponering är en annan nyckelprocess i halvledartillverkning, som innebär att en tunn film av material avsätts på ett substrat. Denna process kan uppnås genom olika teknologier, såsom fysisk ångdeposition (PVD), kemisk ångdeposition (CVD), atomlagerdeposition (ALD), etc.
Samtidigt utvecklas också ständigt nya teknologier, inklusive metallorganisk kemisk ångdeposition (MOCVD), plasmaförstärkt deposition, roll-to-roll-deposition, etc.
4. Etsning
Etsning innebär att man tar bort specifika delar av halvledarmaterial för att skapa mönster eller strukturer. Framstegen inom etsningstekniken är huvudorsaken till den snabba utvecklingen av halvledarindustrin och är också en nyckelteknologi för tillverkning av mindre och mer komplexa elektroniska komponenter.
Tidigare var våtetsning den vanligaste tekniken, som går ut på att sänka ner wafern i en lösning som löser upp materialet. Våtetsning är dock inte exakt och kan orsaka skada på intilliggande strukturer.
Framväxten av torretsningsteknik har möjliggjort mer exakt och mycket kontrollerbar etsning, såsom reaktiv jonetsning (RIE) och plasmaetsning. RIE är en teknologi som använder reaktiva joner för att selektivt ta bort material från en wafer, vilket möjliggör exakt kontroll av etsningsprocessen.
Plasmaetsning är en liknande teknik som använder gasplasma för att avlägsna material, men den har ytterligare fördelen att selektivt avlägsna specifika material, såsom metaller eller kisel.
5. Förpackning
Förpackningsprocessen vid halvledartillverkning går ut på att kapsla in en integrerad krets i ett skyddande hölje som också ger elektriska anslutningar till omvärlden. Förpackningsprocessen påverkar prestanda, tillförlitlighet och kostnad för slutprodukten.
3D-paketering innebär att stapla flera chips tillsammans för att skapa integrerade kretsar med hög densitet. Denna teknik kan minska enhetens totala storlek och förbättra dess prestanda samtidigt som den minskar strömförbrukningen.
Fan-out-förpackningar är en teknik som bäddar in integrerade kretsar i ett lager av epoxiformmassa, med kopparpelare som fläktar ut från chipet för elektriska anslutningar. Denna teknik möjliggör förpackningar med hög densitet i en mindre storlek.
System-in-Package (SiP) är en annan teknik som integrerar flera chips, sensorer och andra komponenter i ett enda paket. Det kan minska enhetens totala storlek samtidigt som det förbättrar dess totala prestanda.