Производството на полупроводникови компоненти включва поредица от сложни производствени процеси за трансформиране на суровини в завършени компоненти за различни приложения, които осигуряват критични контролни и сензорни функции.
Производството на полупроводници включва серия от сложни процеси за трансформиране на суровини в крайни готови компоненти. Процесът на производство на полупроводници обикновено включва четири основни етапа: производство на пластини, сглобяване или опаковане за тест на пластини и окончателно тестване. Всеки етап има своите уникални предизвикателства и възможности.
Процесът на производство на полупроводници също е изправен пред много предизвикателства, включително разходи, сложност, разнообразие и добив, но също така носи големи възможности за иновации и развитие. Като се справяме с трудностите и се възползваме от възможностите, можем да насърчим развитието на нови технологии, за да променим начина, по който живеем и работим, като същевременно даваме възможност на индустрията да продължи да се развива и расте.
一. Преглед на процеса на производство на полупроводници
Процесът на производство на полупроводници може да бъде разделен на следните ключови стъпки.
1. Приготвяне на вафла
Силиконовите пластини са избрани като изходен материал за полупроводниковия процес. Пластините се почистват, полират и подготвят за използване като субстрати за производство на електронни компоненти.
2. Моделиране
В този процес моделите се създават върху силициеви пластини с помощта на процес, наречен фотолитография. Слой от устойчив на корозия фоторезист се нанася върху повърхността на пластината и след това върху пластината се поставя маска. Маската има шарка, съответстваща на съответните предварително произведени електронни компоненти. След това моделът се прехвърля от маската върху фоторезистния слой с помощта на ултравиолетова светлина. След това откритите зони на фоторезиста се отстраняват, оставяйки шарена повърхност върху пластината.
3. Материален допинг
В тази стъпка към силиконовата пластина се добавят материали, за да се променят нейните електрически свойства. Най-често използваните материали са бор или фосфор, които могат да се добавят в малки количества, за да се получат съответно p-тип или n-тип полупроводници. Тези материали се имплантират в повърхността на пластината с помощта на йонно ускорение в процес, наречен йонна имплантация.
4. Обработка на отлагане на пластини
По време на този процес тънкослойните материали се отлагат върху пластина за създаване на електронни компоненти. Това може да се постигне чрез различни техники, включително химическо отлагане на пари (CVD), физическо отлагане на пари (PVD) и отлагане на атомен слой (ALD). Тези процеси могат да се използват за отлагане на материали като метали, оксиди и нитриди.
5. Офорт
Отстраняване на част от материала от повърхността на пластината, за да се получи формата и структурата, необходими за електронния компонент. Гравирането може да се извърши с помощта на различни техники, включително мокро ецване, сухо ецване и плазмено ецване. Тези процеси използват химикали или плазма за селективно отстраняване на специфични материали от пластината.
6. Опаковка
Електронните компоненти се пакетират в краен продукт, който може да се използва в електронни устройства. Това включва свързване на компонентите към субстрат, като например печатна платка, и след това свързването им с други компоненти с помощта на проводници или други средства. Полупроводниковите процеси са много сложни и включват разнообразие от специализирано оборудване и материали. Тези процеси са от съществено значение за производството на съвременни електронни устройства и продължават да се развиват с итерацията на новите технологии.
Обикновено процесът на производство на полупроводникови чипове отнема от няколко седмици до няколко месеца. Като се започне от първия етап, трябва да се произведе силиконова пластина, която да служи като субстрат за чипа. Този процес обикновено включва следните процеси, почистване, отлагане, литография, ецване и легиране. Вафлата може да се наложи да премине през стотици различни технологични операции, така че целият процес на производство на вафла може да отнеме до 16-18 седмици.
След като отделните чипове са произведени върху пластината, те трябва да бъдат разделени и опаковани в отделни единици. Това също включва тестване на всеки чип, за да се гарантира, че отговаря на спецификациите, след което отделянето му от пластината и монтирането му върху опаковката или субстрата. След като чиповете бъдат опаковани, те ще преминат през строг процес на тестване, за да се гарантира, че отговарят на стандартите за качество и постигат очакваните функции. Това включва провеждане на електронни тестове, функционални тестове и други видове тестове за проверка за идентифициране на дефекти или проблеми. Това също зависи от сложността на чипа и необходимите изисквания за тестване, така че този процес на пакетиране и тестване може да отнеме 8-10 седмици.
Като цяло, целият процес на производство на полупроводникови чипове може да отнеме няколко седмици или месеци, защото зависи от съответните използвани технологии и сложността на дизайна на чипа.
2. Тенденции и предизвикателства в производството на полупроводници
1. Прехвърляне на модел
Напредъкът в технологията за трансфер на шаблони се превърна в ключов двигател за бързото развитие на полупроводниковата индустрия, позволявайки производството на по-малки и по-сложни електронни компоненти.
Основен напредък в технологията за прехвърляне на шаблони е разработването на усъвършенствана литография, която представлява процес на прехвърляне на шаблони към среда с помощта на светлина или други източници на радиация. По-специално, литографските технологии, разработени през последните години, като литография с екстремни ултравиолетови лъчи (EUV) и технология за множество шарки, се използват за създаване на по-малки и по-сложни графики.
EUV литографията използва светлинни лъчи с изключително къса дължина на вълната, за да създаде изключително прецизни модели върху силициеви пластини. Тази технология може да създаде размери до няколко нанометра, което е от съществено значение за производството на усъвършенствани електронни компоненти като микропроцесори.
Множеството шарки е друга литографска технология, която може да създава по-малки шарки. Тази технология включва разбиване на един модел на множество микрополярни шарки и след това прехвърлянето им върху повърхността на пластината. В резултат на това създаденият модел може да бъде по-малък от дължината на вълната на радиацията, използвана в литографията.
2. Допинг
Добавките представляват добавяне на специфична среда към силициевите пластини за промяна на техните електрически свойства. Напредъкът в технологията за допинг е ключов фактор за бързото развитие на полупроводниковата индустрия. Този технологичен напредък се дължи на появата на нови диелектрични материали.
Традиционно борът и фосфорът са най-често използваните допинг материали, тъй като могат да произвеждат съответно p-тип и n-тип полупроводници. През последните години обаче бяха разработени нови материали като германий, арсен и антимон, които могат да се използват за производството на по-сложни електронни компоненти.
Друг напредък в технологията за допинг е напредъкът на по-прецизните процеси за допинг. В миналото имплантирането на йони беше основната технология, използвана за допинг, включваща използването на високоскоростни йони за имплантиране на диелектрици в повърхността на пластината. Въпреки че йонната имплантация все още се използва често, нови технологии като епитаксия с молекулярни лъчи (MBE) и химическо отлагане на пари (CVD) са разработени, за да позволят по-прецизен контрол на процеса на допинг.
3. Отлагане
Отлагането е друг ключов процес в производството на полупроводници, който включва отлагане на тънък филм от материал върху субстрат. Този процес може да бъде постигнат чрез различни технологии, като физическо отлагане на пари (PVD), химическо отлагане на пари (CVD), отлагане на атомен слой (ALD) и др.
В същото време непрекъснато се развиват и нови технологии, включително металоорганично химическо отлагане на пари (MOCVD), усилено плазмено отлагане, отлагане от ролка до ролка и др.
4. Офорт
Гравирането включва премахване на специфични части от полупроводникови материали за създаване на модели или структури. Напредъкът в технологията за ецване е основната причина за бързото развитие на полупроводниковата индустрия и също така е ключова технология за производство на по-малки и по-сложни електронни компоненти.
В миналото мокрото ецване беше основната често използвана технология, която включва потапяне на пластината в разтвор, който разтваря материала. Мокрото ецване обаче не е прецизно и може да причини увреждане на съседни структури.
Появата на технологията за сухо ецване позволи по-прецизно и силно контролируемо производство на ецване, като реактивно йонно ецване (RIE) и плазмено ецване. RIE е технология, която използва реактивни йони за селективно отстраняване на материал от пластина, което позволява прецизен контрол на процеса на ецване.
Плазменото ецване е подобна технология, която използва газова плазма за отстраняване на материал, но има допълнителното предимство на селективното отстраняване на специфични материали, като метали или силиций.
5. Опаковка
Процесът на опаковане при производството на полупроводници включва капсулиране на интегрална схема в защитен корпус, който също така осигурява електрически връзки с външния свят. Процесът на опаковане влияе върху производителността, надеждността и цената на крайния продукт.
3D опаковането включва подреждане на множество чипове заедно за създаване на интегрални схеми с висока плътност. Тази технология може да намали общия размер на устройството и да подобри неговата производителност, като същевременно намали консумацията на енергия.
Fan-out опаковката е технология, която вгражда интегрални схеми в слой от епоксидна формовъчна смес, като се използват медни колони, разпръснати от чипа за електрически връзки. Тази технология позволява опаковане с висока плътност в по-малък размер.
System-in-Package (SiP) е друга технология, която интегрира множество чипове, сензори и други компоненти в един пакет. Може да намали общия размер на устройството, като същевременно подобри цялостната му производителност.