ייצור שבבים הוא התהליך המורכב ביותר בעולם כיום. זהו תהליך מורכב שהושלם על ידי חברות מובילות רבות. מאמר זה שואף לסכם תהליך זה ולתת תיאור מקיף וכללי של תהליך מורכב זה.
ישנם תהליכי ייצור מוליכים למחצה רבים, ונאמר שיש מאות או אפילו אלפי שלבים. זו לא הגזמה. מפעל עם השקעה של מיליארד דולר עשוי לעשות רק חלק קטן מהתהליך. עבור תהליך מורכב שכזה, מאמר זה יחולק לחמש קטגוריות עיקריות להסבר: ייצור פרוסות, פוטוליטוגרפיה ותחריט, השתלת יונים, שקיעת סרט דק ואריזה ובדיקה.
1. תהליך ייצור מוליכים למחצה – ייצור פרוסות
ניתן לחלק את ייצור פרוסות ל-5 התהליכים העיקריים הבאים:
(1) משיכת קריסטל
◈ פוליסיליקון מסומם מומס ב-1400 מעלות
◈ הזרקת גז אינרטי של ארגון בטוהר גבוה
◈ מניחים את "זרע" הסיליקון הקריסטל יחיד לתוך ההמסה וסובב אותו באיטיות כאשר "נשלף החוצה".
◈ הקוטר של מטיל הגביש היחיד נקבע על פי הטמפרטורה ומהירות החילוץ
(2) חיתוך פרוסות משתמש ב"מסור" מדויק כדי לחתוך את מטיל הסיליקון לפרוסות בודדות.
(3) חיכוך רקיק, תחריט
◈ פרוסות הפרוסות נטחנות באופן מכאני באמצעות מטחנה סיבובית ותמיסת אלומינה כדי להפוך את פני הפרוסה למישורים ומקבילים ולהפחית פגמים מכניים.
◈ הפרוסים נחרטים לאחר מכן בתמיסת חומצה ניטרידית/חומצה אצטית כדי להסיר סדקים מיקרוסקופיים או נזק פני השטח, ולאחר מכן סדרה של אמבטיות מים RO/DI בטוהר גבוה.
(4) ליטוש וניקוי פרוסות
◈ לאחר מכן, מלטשים את הפרוסים בסדרה של תהליכי ליטוש כימיים ומכאניים הנקראים CMP (Chemical Mechanical Polish). ◈ תהליך הליטוש כולל בדרך כלל שניים עד שלושה שלבי ליטוש תוך שימוש בסליים עדינים יותר ויותר וניקוי ביניים באמצעות מי RO/DI. ◈ ניקוי סופי מתבצע באמצעות תמיסת SC1 (אמוניה, מי חמצן ומי RO/DI) להסרת זיהומים וחלקיקים אורגניים. לאחר מכן, HF משמש להסרת תחמוצות מקומיות וזיהומי מתכת, ולבסוף תמיסת SC2 מאפשרת לתחמוצות מקומיות חדשות נקיות במיוחד לצמוח על פני השטח. (5) עיבוד אפיטקסיאלי של רקיק
◈ גידול אפיטקסיאלי (EPI) משמש לגידול שכבה של סיליקון חד גבישי מאדים על מצע סיליקון חד גבישי בטמפרטורות גבוהות.
◈ תהליך גידול שכבת סיליקון חד-גבישית משלב האדים נקרא אפיטקסיית שלב האדים (VPE).
SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl
SiCl4 (סיליקון טטרכלוריד)
התגובה היא הפיכה, כלומר אם מוסיפים HCl, הסיליקון ייחרט מפני השטח של הפרוסה.
תגובה נוספת ליצירת Si היא בלתי הפיכה: SiH4 → Si + 2H2 (סילאן)
◈ מטרת צמיחת EPI היא ליצור שכבות עם ריכוזים שונים (בדרך כלל נמוכים יותר) של דופנטים פעילים חשמלית על המצע. לדוגמה, שכבה מסוג N על רקיק מסוג P.
◈ כ-3% מעובי הוופל.
◈ אין זיהום למבני טרנזיסטורים הבאים.
2. תהליך ייצור מוליכים למחצה - פוטוליטוגרפיה מכונת הפוטוליתוגרפיה, שהוזכרה רבות בשנים האחרונות, היא רק ציוד תהליך אחד מני רבים. אפילו לפוטוליתוגרפיה יש שלבי תהליך וציוד רבים.
(1) ציפוי Photoresist
Photoresist הוא חומר רגיש לאור. כמות קטנה של נוזל photoresist מתווספת לפרוסה. הפרוסה מסובבת במהירות של 1000 עד 5000 סל"ד, ומפזרת את הפוטורסיסט לציפוי אחיד בעובי של 2 עד 200 אום. ישנם שני סוגים של photoresists: שלילי וחיובי. חיובי: חשיפה לאור יכולה לפרק את המבנה המולקולרי המורכב, מה שמקל על המסתו. שלילי: החשיפה הופכת את המבנה המולקולרי למורכב יותר וקשה יותר להמסה. השלבים המעורבים בכל שלב פוטוליתוגרפיה הם כדלקמן; ◈ נקה את הפרוסה ◈ שכבת מחסום משקעים SiO2, Si3N4, מתכת ◈ החל פוטו-רזיסט ◈ אפייה רכה ◈ יישור מסכה ◈ חשיפה גרפית ◈ פיתוח ◈ אפייה ◈ תחריט ◈ הסר פוטו-רזיסט (2) דפוס הכנת תוכנת עיצוב דפוס הכנת דפוס CAD של כל שכבה. לאחר מכן התבנית מועברת למצע קוורץ שקוף אופטית (תבנית) עם התבנית באמצעות מחולל דפוסי לייזר או קרן אלקטרונים.
(3) העברת דפוס (חשיפה) כאן, נעשה שימוש במכונת פוטוליתוגרפיה כדי להקרין ולהעתיק את התבנית מהתבנית אל שכבת השבב.
(4) פיתוח ואפייה ◈ לאחר החשיפה, הוופל מפותח בתמיסה חומצית או אלקלית להסרת האזורים החשופים של הפוטו-רזיסט. ◈ לאחר הסרת הפוטו-רזיסט החשוף, הוופל "נאפה" בטמפרטורה נמוכה כדי להקשיח את הפוטורסיסט שנותר.
3. תהליכי ייצור מוליכים למחצה - תחריט והשתלת יונים (1) תחריט רטוב ויבש ◈ תחריט כימי מתבצע על פלטפורמה רטובה גדולה. ◈ סוגים שונים של חומצה, בסיס ותמיסות קאוסטיות משמשים להסרת אזורים נבחרים של חומרים שונים. ◈ BOE, או תחריט תחמוצת buffed, עשוי מחומצה הידרופלואורית עם אמוניום פלואוריד ומשמש להסרת סיליקון דו חמצני מבלי לחרוט את שכבת הסיליקון או הפוליסיליקון הבסיסית. ◈ חומצה זרחתית משמשת לחריטת שכבות סיליקון ניטריד. ◈ חומצה חנקתית משמשת לחריטת מתכות. ◈ פוטו רזיסט מוסר עם חומצה גופרתית. ◈ לחריטה יבשה, הפרוסה מונחת בתא תחריט ונחרטת בפלזמה. ◈ בטיחות כוח אדם היא הדאגה העיקרית. ◈ יצרנים רבים משתמשים בציוד אוטומטי לביצוע תהליך התחריט. (2) התנגדות להפשטה
לאחר מכן, הפוטו-רזיסט מופשט לחלוטין מהוואפר, ומשאיר תבנית תחמוצת על הפרוסה.
(3) השתלת יונים
◈ השתלת יונים משנה את המאפיינים החשמליים של אזורים מדויקים בתוך השכבות הקיימות על הוואפר.
◈ משתלי יונים משתמשים בצינורות מאיץ בעלי זרם גבוה ובמגנטים של היגוי ומיקוד כדי להפציץ את פני הוופל עם יונים של דופנטים ספציפיים.
◈ התחמוצת פועלת כמחסום בזמן שהכימיקלים לסימום מופקדים על פני השטח ומתפזרים אל פני השטח.
◈ משטח הסיליקון מחומם ל-900 מעלות לצורך חישול, ויוני הדופנטים המושתלים מתפזרים הלאה לתוך פרוסת הסיליקון.
4. תהליך ייצור מוליכים למחצה - שקיעת סרט דק
ישנן דרכים רבות ותכנים של שקיעת סרט דק, אשר מוסברות אחת אחת להלן: (1) תחמוצת סיליקון
כאשר סיליקון קיים בחמצן, SiO2 יגדל תרמית. חמצן מגיע מחמצן או אדי מים. טמפרטורת הסביבה נדרשת להיות 900 ~ 1200 מעלות. התגובה הכימית שמתרחשת היא
Si + O2 → SiO2
Si +2H2O ->SiO2 + 2H2
פני השטח של רקיקת הסיליקון לאחר חמצון סלקטיבי מוצג באיור שלהלן:
גם חמצן וגם מים מתפזרים דרך SiO2 הקיים ומתאחדים עם Si ליצירת SiO2 נוסף. מים (אדים) מתפזרים בקלות רבה יותר מחמצן, כך שהאדים גדלים הרבה יותר מהר.
תחמוצת משמשת לספק שכבת בידוד ופסיביות ליצירת שער הטרנזיסטור. חמצן יבש משמש ליצירת השער ושכבת התחמוצת הדקה. אדים משמשים ליצירת שכבת תחמוצת עבה. שכבת התחמוצת המבודדת היא בדרך כלל סביב 1500 ננומטר, ושכבת השער היא בדרך כלל בין 200 ננומטר ל-500 ננומטר.
(2) שקיעת אדים כימית
שקיעת אדים כימית (CVD) יוצרת סרט דק על פני המצע באמצעות פירוק תרמי ו/או תגובה של תרכובות גזים.
ישנם שלושה סוגים בסיסיים של כורי CVD: ◈ שקיעת אדים כימית אטמוספרית
◈ CVD בלחץ נמוך (LPCVD)
◈ CVD משופר בפלזמה (PECVD)
התרשים הסכמטי של תהליך CVD בלחץ נמוך מוצג להלן.
תהליכי התגובה העיקריים של CVD הם כדלקמן
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->Si + 2h2 (600 מעלות)
קצב הפקדה 100 - 200 ננומטר /דקה
ניתן להוסיף זרחן (פוספין), בורון (דיבורן) או גז ארסן. ניתן לסמם את הפוליסיליקון בגז דיפוזיה לאחר שקיעה.
ii). דו תחמוצת הסיליקון
SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 מעלות )
SiO2 משמש כמבודד או שכבת פסיבציה. בדרך כלל מוסיפים זרחן כדי להשיג ביצועי זרימת אלקטרונים טובים יותר.
iii). סיליקון ניטריד סייקון ניטריד
3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2
(סילאן) (אמוניה) (ניטריד)
(3) מקרטעת
המטרה מופצצת ביונים בעלי אנרגיה גבוהה כמו Ar+, והאטומים במטרה יוזזו ויועברו אל המצע.
מתכות כגון אלומיניום וטיטניום יכולות לשמש מטרות. (4) אידוי
Al או Au (זהב) מחוממים לנקודת האידוי, והאדים יתעבו ויוצרים סרט דק המכסה את פני הוופל.
הדוגמה הבאה תסביר בפירוט כיצד המעגל על פרוסת הסיליקון נוצר צעד אחר צעד מפוטוליתוגרפיה, תחריט ועד שקיעת יונים:
5. תהליך ייצור מוליכים למחצה - בדיקת אריזה (אחרי עיבוד)
(1) בדיקת רקיק לאחר השלמת הכנת המעגל הסופית, מכשירי הבדיקה שעל הפרוסה נבדקים באמצעות שיטת בדיקת בדיקה אוטומטית להסרת מוצרים פגומים.
(2) חיתוך רקיק לאחר בדיקת הבדיקה, הפרוסה נחתכת לצ'יפס בודדים.
(3) חיווט ואריזה ◈ שבבים בודדים מחוברים למסגרת העופרת, ומובילי אלומיניום או זהב מחוברים באמצעות דחיסה תרמית או ריתוך קולי. ◈ השלמת האריזה מתבצעת על ידי איטום המכשיר באריזת קרמיקה או פלסטיק. ◈ רוב השבבים עדיין צריכים לעבור בדיקות תפקודיות אחרונות לפני שהם נשלחים למשתמשים במורד הזרם.
