Una spiegazione completa del processo di produzione del chip (1/2): dal wafer al confezionamento e al test

La fabbricazione di ciascun prodotto a semiconduttore richiede centinaia di processi e l'intero processo di produzione è suddiviso in otto fasi:lavorazione dei wafer - ossidazione - fotolitografia - acquaforte - deposizione di film sottile - interconnessione - test - confezione.

Passaggio 1:Lavorazione dei wafer

Tutti i processi dei semiconduttori iniziano con un granello di sabbia! Perché il silicio contenuto nella sabbia è la materia prima necessaria per produrre i wafer. I wafer sono fette rotonde tagliate da cilindri monocristallini di silicio (Si) o arseniuro di gallio (GaAs). Per estrarre materiali di silicio di elevata purezza è necessaria la sabbia silicea, un materiale speciale con un contenuto di biossido di silicio fino al 95%, che è anche la principale materia prima per la produzione di wafer. La lavorazione dei wafer è il processo di realizzazione dei wafer di cui sopra.

Colata di lingotti

Innanzitutto, la sabbia deve essere riscaldata per separare il monossido di carbonio e il silicio in essa contenuti, e il processo viene ripetuto fino a ottenere silicio di grado elettronico di altissima purezza (EG-Si). Il silicio ad elevata purezza si scioglie in un liquido e poi si solidifica in una forma solida monocristallina, chiamata "lingotto", che rappresenta il primo passo nella produzione di semiconduttori.

La precisione di produzione dei lingotti di silicio (pilastri di silicio) è molto elevata, raggiungendo il livello nanometrico, e il metodo di produzione ampiamente utilizzato è il metodo Czochralski.

Taglio dei lingotti

Terminato il passaggio precedente è necessario tagliare le due estremità del lingotto con una sega diamantata e poi tagliarlo a fettine sottili di un certo spessore. Il diametro della fetta del lingotto determina la dimensione del wafer. I wafer più grandi e sottili possono essere suddivisi in unità più utilizzabili, il che aiuta a ridurre i costi di produzione. Dopo aver tagliato il lingotto di silicio, è necessario aggiungere segni di "zona piatta" o "ammaccatura" sulle fette per facilitare l'impostazione della direzione di lavorazione come standard nelle fasi successive.

Lucidatura della superficie del wafer

Le fette ottenute mediante il suddetto processo di taglio vengono chiamate "bare wafer", cioè "wafer grezzi" non lavorati. La superficie del wafer nudo non è uniforme e lo schema del circuito non può essere stampato direttamente su di esso. Pertanto, è necessario prima rimuovere i difetti superficiali attraverso processi di macinazione e incisione chimica, quindi lucidare per formare una superficie liscia e quindi rimuovere i contaminanti residui attraverso la pulizia per ottenere un wafer finito con una superficie pulita.

Passaggio 2: ossidazione

Il ruolo del processo di ossidazione è quello di formare una pellicola protettiva sulla superficie del wafer. Protegge il wafer dalle impurità chimiche, impedisce l'ingresso di corrente di dispersione nel circuito, impedisce la diffusione durante l'impianto ionico e impedisce lo scivolamento del wafer durante l'attacco.

Il primo passo del processo di ossidazione è rimuovere impurità e contaminanti. Sono necessarie quattro fasi per rimuovere la materia organica, le impurità metalliche ed evaporare l'acqua residua. Dopo la pulizia, il wafer può essere collocato in un ambiente ad alta temperatura compresa tra 800 e 1200 gradi Celsius e uno strato di biossido di silicio (cioè "ossido") viene formato dal flusso di ossigeno o vapore sulla superficie del wafer. L'ossigeno si diffonde attraverso lo strato di ossido e reagisce con il silicio per formare uno strato di ossido di spessore variabile e il suo spessore può essere misurato una volta completata l'ossidazione.

Ossidazione a secco e ossidazione a umido A seconda dei diversi ossidanti nella reazione di ossidazione, il processo di ossidazione termica può essere suddiviso in ossidazione a secco e ossidazione a umido. Il primo utilizza ossigeno puro per produrre uno strato di biossido di silicio, che è lento ma lo strato di ossido è sottile e denso. Quest'ultimo richiede sia ossigeno che vapore acqueo altamente solubile, caratterizzato da un rapido tasso di crescita ma da uno strato protettivo relativamente spesso con una bassa densità.

Oltre all'ossidante, ci sono altre variabili che influenzano lo spessore dello strato di biossido di silicio. Innanzitutto, la struttura del wafer, i suoi difetti superficiali e la concentrazione di drogaggio interno influenzeranno la velocità di generazione dello strato di ossido. Inoltre, maggiore è la pressione e la temperatura generate dall'attrezzatura di ossidazione, più velocemente verrà generato lo strato di ossido. Durante il processo di ossidazione è inoltre necessario utilizzare un foglio fittizio a seconda della posizione del wafer nell'unità per proteggere il wafer e ridurre la differenza nel grado di ossidazione.

Passaggio 3: fotolitografia

La fotolitografia consiste nel "stampare" lo schema del circuito sul wafer attraverso la luce. Possiamo intenderlo come disegnare sulla superficie del wafer la mappa piana necessaria per la produzione dei semiconduttori. Maggiore è la finezza del modello circuitale, maggiore è l'integrazione del chip finito, che deve essere ottenuta attraverso una tecnologia fotolitografica avanzata. Nello specifico, la fotolitografia può essere suddivisa in tre fasi: rivestimento del fotoresist, esposizione e sviluppo.

Rivestimento

Il primo passo per disegnare un circuito su un wafer è rivestire il fotoresist sullo strato di ossido. Il fotoresist rende il wafer una "carta fotografica" modificandone le proprietà chimiche. Più sottile è lo strato di fotoresist sulla superficie del wafer, più uniforme è il rivestimento e più fine è il motivo che può essere stampato. Questo passaggio può essere eseguito con il metodo "spin-coating". In base alla differenza di reattività alla luce (ultravioletta), i fotoresist possono essere suddivisi in due tipi: positivi e negativi. Il primo si decomporrà e scomparirà dopo l'esposizione alla luce, lasciando il disegno della zona non esposta, mentre il secondo polimerizzerà dopo l'esposizione alla luce e farà apparire il disegno della parte esposta.

Esposizione

Dopo che la pellicola di fotoresist è stata ricoperta sul wafer, la stampa del circuito può essere completata controllando l'esposizione alla luce. Questo processo è chiamato "esposizione". Possiamo far passare selettivamente la luce attraverso l'apparecchiatura di esposizione. Quando la luce attraversa la maschera contenente lo schema circuitale, il circuito può essere stampato sul wafer rivestito con la pellicola fotoresist sottostante.

Durante il processo di esposizione, più fine è il motivo stampato, maggiore è il numero di componenti che il chip finale può ospitare, il che aiuta a migliorare l'efficienza produttiva e a ridurre il costo di ciascun componente. In questo campo, la nuova tecnologia che attualmente sta attirando molta attenzione è la litografia EUV. Lam Research Group ha sviluppato congiuntamente una nuova tecnologia di fotoresist a film secco con i partner strategici ASML e imec. Questa tecnologia può migliorare notevolmente la produttività e la resa del processo di esposizione della litografia EUV migliorando la risoluzione (un fattore chiave nella regolazione fine della larghezza del circuito).

Sviluppo

Il passaggio successivo all'esposizione consiste nello spruzzare lo sviluppatore sul wafer, lo scopo è rimuovere il fotoresist nell'area scoperta del pattern, in modo che il pattern del circuito stampato possa essere rivelato. Una volta completato lo sviluppo, è necessario controllarlo con varie apparecchiature di misurazione e microscopi ottici per garantire la qualità dello schema elettrico.

Passaggio 4: incisione

Una volta completata la fotolitografia dello schema circuitale sul wafer, viene utilizzato un processo di incisione per rimuovere l'eventuale pellicola di ossido in eccesso e lasciare solo lo schema circuitale del semiconduttore. Per fare ciò, viene utilizzato liquido, gas o plasma per rimuovere le parti in eccesso selezionate. Esistono due metodi principali di attacco, a seconda delle sostanze utilizzate: attacco a umido utilizzando una soluzione chimica specifica per reagire chimicamente per rimuovere la pellicola di ossido e attacco a secco utilizzando gas o plasma.

Acquaforte ad umido

L'incisione a umido utilizzando soluzioni chimiche per rimuovere le pellicole di ossido presenta i vantaggi di basso costo, elevata velocità di incisione ed elevata produttività. Tuttavia, l'attacco a umido è isotropo, ovvero la sua velocità è la stessa in qualsiasi direzione. Ciò fa sì che la maschera (o la pellicola sensibile) non sia completamente allineata con la pellicola di ossido inciso, quindi è difficile elaborare schemi circuitali molto fini.

Acquaforte a secco

L'acquaforte a secco può essere divisa in tre diverse tipologie. Il primo è l'attacco chimico, che utilizza gas di attacco (principalmente acido fluoridrico). Come l'incisione a umido, questo metodo è isotropo, il che significa che non è adatto per l'incisione fine.

Il secondo metodo è lo sputtering fisico, che utilizza gli ioni del plasma per impattare e rimuovere lo strato di ossido in eccesso. Essendo un metodo di incisione anisotropico, l'incisione a spruzzo ha velocità di incisione diverse nelle direzioni orizzontale e verticale, quindi anche la sua finezza è migliore dell'incisione chimica. Tuttavia, lo svantaggio di questo metodo è che la velocità di attacco è lenta poiché si basa interamente sulla reazione fisica causata dalla collisione degli ioni.

L'ultimo terzo metodo è l'attacco con ioni reattivi (RIE). La RIE combina i primi due metodi, ovvero, mentre si utilizza il plasma per la ionizzazione, l'attacco fisico, l'attacco chimico viene effettuato con l'aiuto dei radicali liberi generati dopo l'attivazione del plasma. Oltre alla velocità di attacco che supera i primi due metodi, RIE può utilizzare le caratteristiche anisotrope degli ioni per ottenere un'incisione del pattern ad alta precisione.

Oggi l'attacco a secco è stato ampiamente utilizzato per migliorare la resa di circuiti semiconduttori fini. Mantenere l'uniformità dell'incisione dell'intero wafer e aumentare la velocità di incisione sono fondamentali e le apparecchiature di incisione a secco più avanzate di oggi supportano la produzione dei chip logici e di memoria più avanzati con prestazioni più elevate.

VeTek Semiconductor è un produttore cinese professionale diRivestimento in carburo di tantalio, Rivestimento in carburo di silicio, Grafite speciale, Ceramica al carburo di silicioEAltre ceramiche a semiconduttore. VeTek Semiconductor si impegna a fornire soluzioni avanzate per vari prodotti SiC Wafer per l'industria dei semiconduttori.

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