Una explicación completa del proceso de fabricación de chips (1/2): desde la oblea hasta el embalaje y las pruebas

La fabricación de cada producto semiconductor requiere cientos de procesos y todo el proceso de fabricación se divide en ocho pasos:procesamiento de obleas - oxidación - fotolitografía - aguafuerte - deposición de película delgada - interconexión - pruebas - embalaje.

Paso 1:Procesamiento de obleas

¡Todos los procesos de semiconductores comienzan con un grano de arena! Porque el silicio contenido en la arena es la materia prima necesaria para producir obleas. Las obleas son rodajas redondas cortadas de cilindros monocristalinos hechos de silicio (Si) o arseniuro de galio (GaAs). Para extraer materiales de silicio de alta pureza se necesita arena de sílice, un material especial con un contenido de dióxido de silicio de hasta el 95%, que también es la principal materia prima para la fabricación de obleas. El procesamiento de obleas es el proceso de elaboración de las obleas anteriores.

fundición de lingotes

Primero, es necesario calentar la arena para separar el monóxido de carbono y el silicio que contiene, y el proceso se repite hasta que se obtiene silicio de grado electrónico (EG-Si) de pureza ultraalta. El silicio de alta pureza se funde en líquido y luego se solidifica en una forma sólida de cristal único, llamada "lingote", que es el primer paso en la fabricación de semiconductores.

La precisión de fabricación de los lingotes de silicio (pilares de silicio) es muy alta, alcanzando el nivel nanométrico, y el método de fabricación más utilizado es el método Czochralski.

corte de lingotes

Una vez completado el paso anterior, es necesario cortar los dos extremos del lingote con una sierra de diamante y luego cortarlo en rodajas finas de cierto espesor. El diámetro del lingote determina el tamaño de la oblea. Las obleas más grandes y delgadas se pueden dividir en unidades más utilizables, lo que ayuda a reducir los costos de producción. Después de cortar el lingote de silicio, es necesario agregar marcas de "área plana" o "abolladuras" en las rodajas para facilitar el establecimiento de la dirección de procesamiento como estándar en los pasos posteriores.

Pulido de superficies de oblea

Las lonchas obtenidas mediante el proceso de corte anterior se denominan "obleas desnudas", es decir, "obleas crudas" sin procesar. La superficie de la oblea desnuda es desigual y el patrón del circuito no se puede imprimir directamente sobre ella. Por lo tanto, es necesario eliminar primero los defectos de la superficie mediante procesos de esmerilado y grabado químico, luego pulir para formar una superficie lisa y luego eliminar los contaminantes residuales mediante limpieza para obtener una oblea terminada con una superficie limpia.

Paso 2: oxidación

La función del proceso de oxidación es formar una película protectora sobre la superficie de la oblea. Protege la oblea de impurezas químicas, evita que la corriente de fuga entre en el circuito, evita la difusión durante la implantación de iones y evita que la oblea se deslice durante el grabado.

El primer paso del proceso de oxidación es eliminar impurezas y contaminantes. Requiere cuatro pasos para eliminar la materia orgánica, las impurezas metálicas y evaporar el agua residual. Después de la limpieza, la oblea se puede colocar en un ambiente de alta temperatura de 800 a 1200 grados Celsius, y se forma una capa de dióxido de silicio (es decir, "óxido") mediante el flujo de oxígeno o vapor sobre la superficie de la oblea. El oxígeno se difunde a través de la capa de óxido y reacciona con el silicio para formar una capa de óxido de espesor variable, cuyo espesor se puede medir una vez completada la oxidación.

Oxidación seca y oxidación húmeda Dependiendo de los diferentes oxidantes en la reacción de oxidación, el proceso de oxidación térmica se puede dividir en oxidación seca y oxidación húmeda. El primero utiliza oxígeno puro para producir una capa de dióxido de silicio, que es lenta pero la capa de óxido es delgada y densa. Este último requiere tanto oxígeno como vapor de agua altamente soluble, que se caracteriza por una tasa de crecimiento rápida pero una capa protectora relativamente gruesa con baja densidad.

Además del oxidante, existen otras variables que afectan el espesor de la capa de dióxido de silicio. Primero, la estructura de la oblea, sus defectos superficiales y la concentración de dopaje interno afectarán la tasa de generación de la capa de óxido. Además, cuanto mayor sea la presión y temperatura generada por el equipo de oxidación, más rápido se generará la capa de óxido. Durante el proceso de oxidación, también es necesario utilizar una hoja falsa según la posición de la oblea en la unidad para proteger la oblea y reducir la diferencia en el grado de oxidación.

Paso 3: Fotolitografía

La fotolitografía consiste en "imprimir" el patrón del circuito en la oblea a través de la luz. Podemos entenderlo como dibujar el mapa plano necesario para la fabricación de semiconductores en la superficie de la oblea. Cuanto mayor sea la finura del patrón del circuito, mayor será la integración del chip terminado, lo que debe lograrse mediante tecnología de fotolitografía avanzada. Específicamente, la fotolitografía se puede dividir en tres pasos: recubrimiento fotorresistente, exposición y revelado.

Revestimiento

El primer paso para dibujar un circuito en una oblea es cubrir la capa de óxido con el fotoprotector. Photoresist convierte la oblea en un "papel fotográfico" cambiando sus propiedades químicas. Cuanto más delgada sea la capa fotorresistente en la superficie de la oblea, más uniforme será el recubrimiento y más fino será el patrón que se puede imprimir. Este paso se puede realizar mediante el método de "recubrimiento por rotación". Según la diferencia de reactividad a la luz (ultravioleta), los fotorresistentes se pueden dividir en dos tipos: positivos y negativos. El primero se descompondrá y desaparecerá después de la exposición a la luz, dejando el patrón del área no expuesta, mientras que el segundo se polimerizará después de la exposición a la luz y hará que aparezca el patrón de la parte expuesta.

Exposición

Una vez cubierta la película fotorresistente sobre la oblea, se puede completar la impresión del circuito controlando la exposición a la luz. Este proceso se llama "exposición". Podemos hacer pasar luz de forma selectiva a través del equipo de exposición. Cuando la luz pasa a través de la máscara que contiene el patrón del circuito, el circuito se puede imprimir en la oblea recubierta con la película fotorresistente que se encuentra debajo.

Durante el proceso de exposición, cuanto más fino sea el patrón impreso, más componentes podrá acomodar el chip final, lo que ayuda a mejorar la eficiencia de la producción y reducir el costo de cada componente. En este campo, la nueva tecnología que actualmente está llamando mucho la atención es la litografía EUV. Lam Research Group ha desarrollado conjuntamente una nueva tecnología fotorresistente de película seca con socios estratégicos ASML e imec. Esta tecnología puede mejorar en gran medida la productividad y el rendimiento del proceso de exposición a la litografía EUV al mejorar la resolución (un factor clave para ajustar el ancho del circuito).

Desarrollo

El paso después de la exposición es rociar el revelador sobre la oblea, el propósito es eliminar el fotorresistente en el área descubierta del patrón, para que se pueda revelar el patrón del circuito impreso. Una vez completado el desarrollo, es necesario comprobarlo mediante varios equipos de medición y microscopios ópticos para garantizar la calidad del diagrama del circuito.

Paso 4: Grabado

Una vez completada la fotolitografía del diagrama del circuito en la oblea, se utiliza un proceso de grabado para eliminar cualquier exceso de película de óxido y dejar solo el diagrama del circuito del semiconductor. Para ello, se utiliza líquido, gas o plasma para eliminar las partes sobrantes seleccionadas. Hay dos métodos principales de grabado, según las sustancias utilizadas: grabado húmedo utilizando una solución química específica para reaccionar químicamente y eliminar la película de óxido, y grabado seco utilizando gas o plasma.

grabado húmedo

El grabado húmedo utilizando soluciones químicas para eliminar películas de óxido tiene las ventajas de un bajo costo, una velocidad de grabado rápida y una alta productividad. Sin embargo, el grabado húmedo es isotrópico, es decir, su velocidad es la misma en cualquier dirección. Esto hace que la máscara (o película sensible) no esté completamente alineada con la película de óxido grabada, por lo que es difícil procesar diagramas de circuitos muy finos.

Grabado en seco

El grabado en seco se puede dividir en tres tipos diferentes. El primero es el grabado químico, que utiliza gases de grabado (principalmente fluoruro de hidrógeno). Al igual que el grabado húmedo, este método es isotrópico, lo que significa que no es adecuado para grabado fino.

El segundo método es la pulverización física, que utiliza iones en el plasma para impactar y eliminar el exceso de capa de óxido. Como método de grabado anisotrópico, el grabado por pulverización catódica tiene diferentes velocidades de grabado en las direcciones horizontal y vertical, por lo que su finura también es mejor que el grabado químico. Sin embargo, la desventaja de este método es que la velocidad de grabado es lenta porque depende completamente de la reacción física causada por la colisión de iones.

El último tercer método es el grabado con iones reactivos (RIE). RIE combina los dos primeros métodos, es decir, mientras se utiliza plasma para el grabado físico por ionización, el grabado químico se lleva a cabo con la ayuda de radicales libres generados después de la activación del plasma. Además de que la velocidad de grabado supera a los dos primeros métodos, RIE puede utilizar las características anisotrópicas de los iones para lograr un grabado de patrones de alta precisión.

Hoy en día, el grabado en seco se ha utilizado ampliamente para mejorar el rendimiento de circuitos semiconductores finos. Mantener la uniformidad del grabado de toda la oblea y aumentar la velocidad de grabado es fundamental, y el equipo de grabado en seco más avanzado de la actualidad respalda la producción de los chips de memoria y lógica más avanzados con mayor rendimiento.

VeTek Semiconductor es un fabricante chino profesional deRecubrimiento de carburo de tantalio, Recubrimiento de carburo de silicio, Grafito especial, Cerámica de carburo de silicioyOtras cerámicas semiconductoras. VeTek Semiconductor se compromete a proporcionar soluciones avanzadas para diversos productos de obleas de SiC para la industria de semiconductores.

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