Çip üretimi günümüz dünyasındaki en karmaşık süreçtir. Bu, birçok üst düzey şirket tarafından tamamlanan karmaşık bir süreçtir. Bu makale bu süreci özetlemeyi ve bu karmaşık sürecin kapsamlı ve genel bir tanımını vermeyi amaçlamaktadır.
Birçok yarı iletken üretim süreci vardır ve yüzlerce hatta binlerce adım olduğu söylenir. Bu bir abartı değildir. Milyar dolarlık yatırımı olan bir fabrika sürecin yalnızca küçük bir kısmını gerçekleştirebilir. Bu kadar karmaşık bir süreç için, bu makale açıklama için beş ana kategoriye ayrılacaktır: yonga üretimi, fotolitografi ve aşındırma, iyon aşılama, ince film biriktirme ve paketleme ve test.
1. Yarı iletken üretim süreci - yonga üretimi
Wafer üretimi aşağıdaki 5 ana prosese ayrılabilir:
(1) Kristal Çekme
◈ Katkılı polisilikon 1400 derecede eritilir
◈ Yüksek saflıkta argon inert gazı enjekte edin
◈ Tek kristal silisyum "tohumunu" eriyiğe yerleştirin ve "çıkarıldığında" yavaşça döndürün.
◈ Tek kristal külçenin çapı, sıcaklık ve çıkarma hızına göre belirlenir
(2) Yonga dilimleme, silikon külçeyi ayrı ayrı yongalara kesmek için hassas bir "testere" kullanır.
(3) Yonga taşlama, aşındırma
◈ Dilimlenmiş gofretler, gofret yüzeyinin düz ve paralel olmasını sağlamak ve mekanik kusurları azaltmak için döner öğütücü ve alümina bulamacı kullanılarak mekanik olarak öğütülür.
◈ Daha sonra yongalar, mikroskobik çatlakları veya yüzey hasarlarını gidermek için nitrürlenmiş asit/asetik asit çözeltisinde aşındırılır ve ardından bir dizi yüksek saflıkta RO/DI su banyosuna tabi tutulur.
(4) Wafer parlatma ve temizleme
◈ Daha sonra, gofretler CMP (Kimyasal Mekanik Cila) adı verilen bir dizi kimyasal ve mekanik cilalama işlemiyle cilalanır. ◈ Cilalama işlemi tipik olarak giderek ince bulamaçlar kullanılarak iki ila üç cilalama adımı ve RO/DI suyu kullanılarak ara temizlik içerir. ◈ Organik safsızlıkları ve parçacıkları gidermek için SC1 çözeltisi (amonyak, hidrojen peroksit ve RO/DI suyu) kullanılarak son bir temizlik gerçekleştirilir. Daha sonra, HF doğal oksitleri ve metal safsızlıklarını gidermek için kullanılır ve son olarak SC2 çözeltisi yüzeyde ultra temiz yeni doğal oksitlerin büyümesini sağlar. (5) Gofret epitaksiyel işleme
◈ Epitaksiyel büyüme (EPI), yüksek sıcaklıklarda buhardan tek kristalli silikon alt tabaka üzerine tek kristalli silikon tabakasının büyütülmesinde kullanılır.
◈ Buhar fazından tek kristalli silisyum tabakasının büyütülmesi işlemine buhar fazı epitaksi (VPE) adı verilir.
SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl
SiCl4 (silisyum tetraklorür)
Tepkime geri dönüşümlüdür, yani HCl eklenirse, silikon, yonga yüzeyinden aşındırılacaktır.
Si üretmek için bir diğer reaksiyon geri döndürülemezdir: SiH4 → Si + 2H2 (silan)
◈ EPI büyümesinin amacı, alt tabaka üzerinde farklı (genellikle daha düşük) elektriksel olarak aktif katkı maddelerinin konsantrasyonlarına sahip katmanlar oluşturmaktır. Örneğin, P tipi bir gofret üzerinde N tipi bir katman.
◈ Wafer kalınlığının yaklaşık %3'ü.
◈ Sonraki transistör yapılarına bulaşma olmaz.
2. Yarı iletken üretim süreci - Fotolitografi Son yıllarda sıkça adı geçen fotolitografi makinesi, birçok işlem ekipmanından sadece biridir. Fotolitografinin bile birçok işlem adımı ve ekipmanı vardır.
(1) Fotorezist kaplama
Fotorezist, ışığa duyarlı bir malzemedir. Gofrete az miktarda fotorezist sıvısı eklenir. Gofret 1000 ila 5000 RPM hızında döndürülerek fotorezist 2 ila 200 um kalınlığında düzgün bir kaplamaya yayılır. İki tür fotorezist vardır: negatif ve pozitif. Pozitif: Işığa maruz kalma, karmaşık moleküler yapıyı parçalayarak çözünmesini kolaylaştırabilir. Negatif: Pozlama, moleküler yapıyı daha karmaşık ve çözünmesini daha zor hale getirir. Her bir fotolitografi adımında yer alan adımlar aşağıdaki gibidir; ◈ Gofreti temizleyin ◈ Bariyer tabakasını SiO2, Si3N4, metal biriktirin ◈ Fotorezist uygulayın ◈ Yumuşak pişirme ◈ Maskeyi hizalayın ◈ Grafik pozlama ◈ Geliştirme ◈ Pişirme ◈ Aşındırma ◈ Fotorezisti çıkarın (2) Desen Hazırlama Desen Hazırlama IC tasarımcıları, her katmanın desenini tasarlamak için CAD yazılımı kullanır. Daha sonra desen, lazer desen üreteci veya elektron ışını kullanılarak optik olarak şeffaf bir kuvars alt tabakaya (şablon) aktarılır.
(3) Desen transferi (pozlama) Burada, bir fotolitografi makinesi, deseni şablondan çip katmanına yansıtmak ve kopyalamak için kullanılır.
(4) Geliştirme ve Pişirme ◈ Maruz bırakıldıktan sonra, gofret, fotorezistin açıkta kalan kısımlarını çıkarmak için asit veya alkali bir çözeltide geliştirilir. ◈ Maruz kalan fotorezist çıkarıldıktan sonra, kalan fotorezistin sertleştirilmesi için gofret düşük bir sıcaklıkta "pişirilir".
3. Yarı İletken Üretim Prosesleri - Aşındırma ve İyon İmplantasyonu (1) Islak ve Kuru Aşındırma ◈ Kimyasal aşındırma büyük bir ıslak platformda gerçekleştirilir. ◈ Farklı tipte asit, baz ve kostik çözeltiler farklı malzemelerin seçili alanlarını çıkarmak için kullanılır. ◈ BOE veya tamponlu oksit aşındırıcı, amonyum florür ile tamponlanmış hidroflorik asitten yapılır ve alttaki silikon veya polisilikon tabakasını aşındırmadan silikon dioksiti çıkarmak için kullanılır. ◈ Fosforik asit silikon nitrür tabakalarını aşındırmak için kullanılır. ◈ Nitrik asit metalleri aşındırmak için kullanılır. ◈ Fotorezist sülfürik asitle çıkarılır. ◈ Kuru aşındırma için, gofret bir aşındırma odasına yerleştirilir ve plazma ile aşındırılır. ◈ Personel güvenliği birincil endişe kaynağıdır. ◈ Birçok fabrika aşındırma işlemini gerçekleştirmek için otomatik ekipman kullanır. (2) Direnç Soyma
Daha sonra fotorezist plakadan tamamen sıyrılır ve plaka üzerinde oksit bir desen kalır.
(3) İyon implantasyonu
◈ İyon aşılama, yonga üzerindeki mevcut katmanlar içindeki belirli alanların elektriksel özelliklerini değiştirir.
◈ İyon implanterleri, gofret yüzeyini belirli katkı maddelerinin iyonlarıyla bombardıman etmek için yüksek akımlı hızlandırıcı tüpler ve yönlendirme ve odaklama mıknatısları kullanır.
◈ Oksit bariyer görevi görürken, doping kimyasalları yüzeye çöker ve yüzeye yayılır.
◈ Tavlama işlemi için silikon yüzey 900 dereceye kadar ısıtılır ve implante edilen katkı iyonları silikon gofretin içine daha fazla yayılır.
4. Yarıiletken Üretim Süreci - İnce Film Biriktirme
İnce film biriktirmenin birçok yolu ve içeriği vardır, bunlar aşağıda tek tek açıklanmıştır: (1) Silisyum Oksit
Silisyum oksijende mevcut olduğunda, SiO2 termal olarak büyüyecektir. Oksijen oksijenden veya su buharından gelir. Ortam sıcaklığının 900 ~ 1200 derece olması gerekir. Meydana gelen kimyasal reaksiyon
Si + O2 → SiO2
Si +2H2O ->SiO2 + 2H2
Seçici oksidasyondan sonra silikon gofretin yüzeyi aşağıdaki şekilde gösterilmektedir:
Hem oksijen hem de su mevcut SiO2'den difüze olur ve Si ile birleşerek ek SiO2 oluşturur. Su (buhar) oksijenden daha kolay difüze olur, bu nedenle buhar çok daha hızlı büyür.
Oksit, transistör kapısını oluşturmak için yalıtım ve pasifleştirme katmanı sağlamak için kullanılır. Kapı ve ince oksit tabakasını oluşturmak için kuru oksijen kullanılır. Kalın bir oksit tabakası oluşturmak için buhar kullanılır. Yalıtım oksit tabakası genellikle yaklaşık 1500 nm'dir ve kapı tabakası genellikle 200 nm ile 500 nm arasındadır.
(2) Kimyasal Buhar Biriktirme
Kimyasal buhar biriktirme (CVD), termal ayrışma ve/veya gaz halindeki bileşiklerin reaksiyonu yoluyla bir alt tabakanın yüzeyinde ince bir film oluşturur.
Üç temel CVD reaktör tipi vardır: ◈ Atmosferik kimyasal buhar birikimi
◈ Düşük basınçlı CVD (LPCVD)
◈ Plazma destekli CVD (PECVD)
Düşük basınçlı CVD prosesinin şematik diyagramı aşağıda gösterilmektedir.
CVD'nin ana reaksiyon süreçleri aşağıdaki gibidir
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->Si + 2h2 (600 derece)
Biriktirme hızı 100 - 200 nm /dak
Fosfor (fosfin), bor (diboran) veya arsenik gazı eklenebilir. Polisilikon ayrıca biriktirme işleminden sonra difüzyon gazı ile de katkılanabilir.
ii). Silisyum dioksit Dioksit
SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 derece)
SiO2 yalıtkan veya pasifleştirme tabakası olarak kullanılır. Fosfor genellikle daha iyi elektron akış performansı elde etmek için eklenir.
iii). Silisyum nitrür Silisyum Nitrür
3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2
(Silan) (Amonyak) (Nitrür)
(3) Püskürtme
Hedef, Ar+ gibi yüksek enerjili iyonlarla bombardıman edilir ve hedefteki atomlar hareket ettirilerek alt tabakaya taşınır.
Alüminyum ve titanyum gibi metaller hedef olarak kullanılabilir. (4) Buharlaşma
Al veya Au (altın) buharlaşma noktasına kadar ısıtılır ve buhar yoğunlaşarak gofretin yüzeyini kaplayan ince bir film oluşturur.
Aşağıdaki örnek, silikon yonga üzerindeki devrenin fotolitografi, aşındırma, iyon biriktirme gibi aşamalardan geçerek nasıl oluşturulduğunu detaylı bir şekilde açıklayacaktır:
5. Yarıiletken Üretim Süreci - Paketleme Testi (Son İşlem)
(1) Yonga Testi Son devre hazırlığı tamamlandıktan sonra, yonga üzerindeki test cihazları, arızalı ürünleri çıkarmak için otomatik bir sondaj test yöntemi kullanılarak test edilir.
(2) Gofret Kesme Prob testinden sonra gofret ayrı ayrı yongalara kesilir.
(3) Kablolama ve paketleme ◈ Tek tek yongalar uç çerçeveye bağlanır ve alüminyum veya altın uçlar termal sıkıştırma veya ultrasonik kaynakla bağlanır. ◈ Paketleme, cihazın seramik veya plastik bir pakete kapatılmasıyla tamamlanır. ◈ Çoğu yonganın, alt akış kullanıcılarına gönderilmeden önce son işlevsel testlerden geçmesi gerekir.
