Proizvodnja poluvodičkih komponenti uključuje niz složenih proizvodnih procesa za transformaciju sirovina u gotove komponente za različite aplikacije koje pružaju kritične funkcije kontrole i senzora.
Proizvodnja poluvodiča uključuje niz složenih procesa za transformaciju sirovina u finalne gotove komponente. Proces proizvodnje poluvodiča općenito uključuje četiri glavne faze: proizvodnju pločice, montažu ili pakovanje pločice za testiranje i završno testiranje. Svaka faza ima svoje jedinstvene izazove i mogućnosti.
Proces proizvodnje poluvodiča također se suočava sa mnogim izazovima uključujući troškove, složenost, raznolikost i prinos, ali također donosi velike mogućnosti za inovacije i razvoj. Rešavanjem poteškoća i iskorištavanjem prilika možemo promovirati razvoj novih tehnologija kako bismo promijenili način na koji živimo i radimo, istovremeno omogućavajući industriji da se dalje razvija i raste.
一. Pregled procesa proizvodnje poluvodiča
Proces proizvodnje poluvodiča može se podijeliti na sljedeće ključne korake.
1. Priprema vafla
Silicijumske pločice su odabrane kao polazni materijal za poluprovodnički proces. Oblatne se čiste, poliraju i pripremaju za upotrebu kao podloge za proizvodnju elektronskih komponenti.
2. Patterning
U ovom procesu, uzorci se kreiraju na silikonskim pločicama pomoću procesa koji se naziva fotolitografija. Na površinu vafla nanosi se sloj fotootpornog materijala otpornog na koroziju, a zatim se na vafla postavlja maska. Maska ima uzorak koji odgovara relevantnim prethodno proizvedenim elektronskim komponentama. Uzorak se zatim prenosi sa maske na sloj fotorezista pomoću ultraljubičastog svjetla. Izložena područja fotorezista se zatim uklanjaju, ostavljajući površinu s uzorkom na pločici.
3. Doping materijala
U ovom koraku, materijali se dodaju silikonskoj pločici kako bi se promijenila njena električna svojstva. Najčešće korišteni materijali su bor ili fosfor, koji se mogu dodati u malim količinama za proizvodnju poluvodiča p-tipa, odnosno n-tipa. Ovi materijali se implantiraju u površinu pločice pomoću ubrzanja jona u procesu koji se naziva ionska implantacija.
4. Obrada taloženja vafla
Tokom ovog procesa, tankoslojni materijali se talože na pločicu kako bi se stvorile elektronske komponente. Ovo se može postići različitim tehnikama, uključujući hemijsko taloženje pare (CVD), fizičko taloženje parom (PVD) i taloženje atomskim slojem (ALD). Ovi procesi se mogu koristiti za taloženje materijala kao što su metali, oksidi i nitridi.
5. Etching
Uklanjanje dijela materijala s površine pločice kako bi se proizveo oblik i struktura potrebni za elektroničku komponentu. Jetkanje se može izvesti različitim tehnikama, uključujući mokro graviranje, suho jetkanje i plazma graviranje. Ovi procesi koriste hemikalije ili plazmu za selektivno uklanjanje određenih materijala iz vafla.
6. Pakovanje
Elektronske komponente se pakuju u konačni proizvod koji se može koristiti u elektroničkim uređajima. Ovo uključuje povezivanje komponenti na podlogu kao što je štampana ploča, a zatim njihovo povezivanje na druge komponente pomoću žica ili drugih sredstava. Poluvodički procesi su vrlo složeni i uključuju raznovrsnu specijaliziranu opremu i materijale. Ovi procesi su neophodni za proizvodnju modernih elektronskih uređaja i nastavljaju da se razvijaju sa iteracijom novih tehnologija.
Tipično, proces proizvodnje poluvodičkih čipova traje nekoliko sedmica do nekoliko mjeseci. Počevši od prve faze, potrebno je izraditi silikonsku pločicu koja će služiti kao podloga za čip. Ovaj proces obično uključuje sljedeće procese, čišćenje, taloženje, litografiju, jetkanje i dopiranje. Oblata će možda morati proći stotine različitih procesnih operacija, tako da cijeli proces proizvodnje vafla može potrajati do 16-18 sedmica.
Nakon što su pojedinačni čipovi proizvedeni na pločici, potrebno ih je odvojiti i pakirati u pojedinačne jedinice. Ovo također uključuje testiranje svakog čipa kako bi se osiguralo da ispunjava specifikacije, a zatim ga odvojiti od pločice i montirati na pakovanje ili podlogu. Nakon što se čipovi upakuju, proći će kroz rigorozan proces testiranja kako bi se osiguralo da ispunjavaju standarde kvaliteta i da ostvare očekivane funkcije. Ovo uključuje pokretanje elektronskih testova, funkcionalnih testova i drugih tipova verifikacionih testova za identifikaciju bilo kakvih nedostataka ili problema. Ovo također zavisi od složenosti čipa i potrebnih zahtjeva za testiranje, tako da ovaj proces pakovanja i testiranja može potrajati 8-10 sedmica.
Sve u svemu, cijeli proces proizvodnje poluvodičkih čipova može trajati nekoliko sedmica ili mjeseci, jer ovisi o relevantnim tehnologijama koje se koriste i složenosti dizajna čipa.
2. Trendovi i izazovi u proizvodnji poluprovodnika
1. Prijenos uzorka
Napredak u tehnologiji prijenosa uzoraka postao je ključni pokretač brzog razvoja industrije poluvodiča, omogućavajući proizvodnju manjih i složenijih elektroničkih komponenti.
Veliki napredak u tehnologiji prijenosa uzoraka je razvoj napredne litografije, što je proces prijenosa uzoraka na medij korištenjem svjetlosti ili drugih izvora zračenja. Konkretno, tehnologije litografije razvijene posljednjih godina, kao što su ekstremna ultraljubičasta (EUV) litografija i tehnologija višestrukog uzorkovanja, koriste se za proizvodnju manjih i složenijih grafika.
EUV litografija koristi snopove svjetlosti ekstremno kratkih valova za stvaranje izuzetno preciznih uzoraka na silikonskim pločicama. Ova tehnologija može stvoriti veličine od nekoliko nanometara, što je neophodno za proizvodnju naprednih elektronskih komponenti kao što su mikroprocesori.
Višestruko dezeniranje je još jedna tehnologija litografije koja može stvoriti manje uzorke. Ova tehnologija uključuje razbijanje jednog uzorka na više mikropolarnih uzoraka, a zatim njihovo prenošenje na površinu pločice. Kao rezultat toga, stvoreni uzorak može biti manji od valne dužine zračenja koja se koristi u litografiji.
2. Doping
Dopanti su dodatak specifičnih medija silikonskim pločicama kako bi se promijenila njihova električna svojstva. Napredak u tehnologiji dopinga bio je ključni faktor u brzom razvoju industrije poluvodiča. Ovaj tehnološki napredak je posljedica pojave novih dielektričnih materijala.
Tradicionalno, bor i fosfor su najčešće korišteni doping materijali jer mogu proizvesti poluvodiče p-tipa i n-tipa. Međutim, posljednjih godina razvijeni su novi materijali kao što su germanij, arsen i antimon koji se mogu koristiti za proizvodnju složenijih elektroničkih komponenti.
Još jedan napredak u tehnologiji dopinga je unapređenje preciznijih procesa dopinga. U prošlosti je ionska implantacija bila glavna tehnologija koja se koristila za doping, uključujući korištenje iona velike brzine za implantaciju dielektrika na površinu pločice. Iako se jonska implantacija još uvijek često koristi, razvijene su nove tehnologije kao što su epitaksija molekularnim snopom (MBE) i hemijsko taloženje pare (CVD) kako bi se omogućila preciznija kontrola procesa dopinga.
3. Taloženje
Taloženje je još jedan ključni proces u proizvodnji poluprovodnika, koji uključuje nanošenje tankog filma materijala na podlogu. Ovaj proces se može postići različitim tehnologijama, kao što su fizičko taloženje parom (PVD), hemijsko taloženje pare (CVD), taloženje atomskim slojem (ALD) itd.
Istovremeno, nove tehnologije se takođe stalno razvijaju, uključujući taloženje metalnih organskih hemijskih para (MOCVD), taloženje poboljšano plazmom, taloženje roll-to-roll, itd.
4. Etching
Jetkanje uključuje uklanjanje određenih dijelova poluvodičkih materijala kako bi se stvorili uzorci ili strukture. Napredak u tehnologiji jetkanja glavni je razlog brzog razvoja industrije poluvodiča, a također je ključna tehnologija za proizvodnju manjih i složenijih elektroničkih komponenti.
U prošlosti, mokro jetkanje je bila glavna uobičajena tehnologija, koja uključuje uranjanje vafla u otopinu koja otapa materijal. Međutim, mokro nagrizanje nije precizno i može uzrokovati oštećenje susjednih struktura.
Pojava tehnologije suhog jetkanja omogućila je precizniju i visoko kontroliranu proizvodnju jetkanja, kao što je reaktivno ionsko jetkanje (RIE) i jetkanje plazmom. RIE je tehnologija koja koristi reaktivne jone za selektivno uklanjanje materijala iz pločice, omogućavajući preciznu kontrolu procesa jetkanja.
Plazma jetkanje je slična tehnologija koja koristi plinsku plazmu za uklanjanje materijala, ali ima dodatnu prednost selektivnog uklanjanja određenih materijala, poput metala ili silicija.
5. Pakovanje
Proces pakovanja u proizvodnji poluprovodnika uključuje kapsuliranje integrisanog kola u zaštitno kućište koje takođe obezbeđuje električne veze sa spoljnim svetom. Proces pakiranja utječe na performanse, pouzdanost i cijenu konačnog proizvoda.
3D pakovanje uključuje slaganje više čipova zajedno kako bi se stvorila integrirana kola visoke gustoće. Ova tehnologija može smanjiti ukupnu veličinu uređaja i poboljšati njegove performanse uz istovremeno smanjenje potrošnje energije.
Ventilatorsko pakovanje je tehnologija koja ugrađuje integrirana kola u sloj epoksidne smjese za kalupljenje, koristeći bakrene stupove koji su izvučeni iz čipa za električne veze. Ova tehnologija omogućava pakovanje velike gustine u manjoj veličini.
System-in-Package (SiP) je još jedna tehnologija koja integriše više čipova, senzora i drugih komponenti u jedan paket. Može smanjiti ukupnu veličinu uređaja, a istovremeno poboljšati njegove ukupne performanse.
