กระบวนการผลิตชิป คำอธิบายโดยละเอียดพร้อมรูปภาพและข้อความ

การผลิตชิปเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนที่สุดในโลกในปัจจุบัน ซึ่งเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนที่บริษัทชั้นนำหลายแห่งดำเนินการ บทความนี้พยายามสรุปกระบวนการนี้และให้คำอธิบายที่ครอบคลุมและทั่วไปเกี่ยวกับกระบวนการที่ซับซ้อนนี้
กระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์มีหลายขั้นตอน และมีการกล่าวกันว่ามีขั้นตอนหลายร้อยหรือหลายพันขั้นตอน ซึ่งไม่ใช่เรื่องเกินจริงเลย โรงงานที่มีการลงทุนเป็นพันล้านดอลลาร์อาจดำเนินการเพียงส่วนเล็กๆ ของกระบวนการเท่านั้น สำหรับกระบวนการที่ซับซ้อนเช่นนี้ บทความนี้จะแบ่งออกเป็น 5 หมวดหมู่หลักเพื่ออธิบาย ได้แก่ การผลิตเวเฟอร์ การพิมพ์หินด้วยแสงและการแกะสลัก การฝังไอออน การสะสมฟิล์มบาง และการบรรจุและการทดสอบ
1.กระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ - การผลิตเวเฟอร์
การผลิตเวเฟอร์สามารถแบ่งออกได้เป็น 5 กระบวนการหลัก ดังต่อไปนี้:
(1) การดึงคริสตัล

◈ โพลีซิลิคอนที่ถูกเจือปนจะถูกหลอมละลายที่อุณหภูมิ 1,400 องศา
◈ ฉีดก๊าซเฉื่อยอาร์กอนที่มีความบริสุทธิ์สูง
◈ วาง "เมล็ดพันธุ์" ซิลิคอนผลึกเดี่ยวลงในของเหลวที่หลอมละลาย และหมุนช้าๆ เมื่อ "ดึงออก"
◈ เส้นผ่านศูนย์กลางของแท่งคริสตัลเดี่ยวจะถูกกำหนดโดยอุณหภูมิและความเร็วในการสกัด
(2) การตัดเวเฟอร์ใช้ "เลื่อย" ที่มีความแม่นยำในการตัดแท่งซิลิคอนให้เป็นเวเฟอร์แต่ละชิ้น

(3) การขัดเวเฟอร์ การแกะสลัก

◈ แผ่นเวเฟอร์ที่หั่นแล้วจะถูกบดโดยใช้เครื่องบดแบบหมุนและสารละลายอะลูมินาเพื่อให้พื้นผิวเวเฟอร์เรียบและขนานกัน และลดข้อบกพร่องทางกล

◈ จากนั้นเวเฟอร์จะถูกแกะสลักในสารละลายกรดไนไตรด์/กรดอะซิติกเพื่อขจัดรอยแตกร้าวในระดับจุลภาคหรือความเสียหายบนพื้นผิว ตามด้วยชุดน้ำ RO/DI ที่มีความบริสุทธิ์สูง
(4) การขัดและทำความสะอาดเวเฟอร์
◈ ขั้นตอนต่อไปคือการขัดเวเฟอร์ด้วยกระบวนการขัดทางเคมีและเชิงกลชุดหนึ่งที่เรียกว่า CMP (Chemical Mechanical Polish) ◈ กระบวนการขัดโดยทั่วไปประกอบด้วยขั้นตอนการขัดสองถึงสามขั้นตอนโดยใช้สารละลายละเอียดมากขึ้นเรื่อยๆ และการทำความสะอาดขั้นกลางโดยใช้น้ำ RO/DI ◈ การทำความสะอาดขั้นสุดท้ายจะดำเนินการโดยใช้สารละลาย SC1 (แอมโมเนีย ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ และน้ำ RO/DI) เพื่อขจัดสิ่งสกปรกและอนุภาคอินทรีย์ จากนั้นใช้ HF เพื่อขจัดออกไซด์ดั้งเดิมและสิ่งสกปรกโลหะ และสุดท้าย สารละลาย SC2 จะทำให้ออกไซด์ดั้งเดิมใหม่ที่สะอาดเป็นพิเศษเติบโตบนพื้นผิว (5) การประมวลผลแบบเอพิแทกเซียลของเวเฟอร์

◈ การเจริญเติบโตแบบเอพิแทกเซียล (EPI) ใช้ในการปลูกชั้นซิลิกอนผลึกเดี่ยวจากไอลงบนพื้นผิวซิลิกอนผลึกเดี่ยวที่อุณหภูมิสูง
◈ กระบวนการปลูกชั้นซิลิกอนผลึกเดี่ยวจากเฟสไอเรียกว่าเอพิแทกซีเฟสไอ (VPE)
ซิลิกอนคลอไรด์4 + 2H2 ↔ ซิลิกอน + 4HCl
SiCl4 (ซิลิกอนเตตระคลอไรด์)
ปฏิกิริยาดังกล่าวสามารถกลับคืนได้ กล่าวคือ ถ้ามีการเติม HCl ลงไป ซิลิกอนก็จะถูกกัดออกจากพื้นผิวของเวเฟอร์
ปฏิกิริยาอื่นในการสร้าง Si นั้นไม่สามารถย้อนกลับได้: SiH4 → Si + 2H2 (ไซเลน)
◈ จุดประสงค์ของการเจริญเติบโตของ EPI คือการสร้างชั้นที่มีความเข้มข้นของสารเจือปนที่มีฤทธิ์ทางไฟฟ้าต่างกัน (โดยปกติจะต่ำกว่า) บนพื้นผิว ตัวอย่างเช่น ชั้นชนิด N บนเวเฟอร์ชนิด P
◈ ประมาณ 3% ของความหนาของเวเฟอร์
◈ ไม่มีการปนเปื้อนต่อโครงสร้างทรานซิสเตอร์ถัดไป

2. กระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ - โฟโตลิโทกราฟี เครื่องโฟโตลิโทกราฟีซึ่งถูกกล่าวถึงบ่อยครั้งในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเป็นเพียงหนึ่งในอุปกรณ์กระบวนการมากมาย แม้แต่โฟโตลิโทกราฟีก็มีขั้นตอนกระบวนการและอุปกรณ์มากมาย
(1) การเคลือบโฟโตรีซิสต์

โฟโตรีซิสต์เป็นวัสดุที่ไวต่อแสง โดยจะเติมของเหลวโฟโตรีซิสต์จำนวนเล็กน้อยลงในเวเฟอร์ เวเฟอร์จะถูกหมุนด้วยความเร็ว 1,000 ถึง 5,000 รอบต่อนาที เพื่อกระจายโฟโตรีซิสต์ให้เป็นชั้นเคลือบที่สม่ำเสมอซึ่งมีความหนา 2 ถึง 200 ไมโครเมตร โฟโตรีซิสต์มีอยู่ 2 ประเภท ได้แก่ เนกาทีฟและบวก โพซิสต์: การได้รับแสงสามารถทำลายโครงสร้างโมเลกุลที่ซับซ้อนได้ ทำให้ละลายได้ง่าย โพซิสต์: การได้รับแสงทำให้โครงสร้างโมเลกุลมีความซับซ้อนมากขึ้นและละลายได้ยากขึ้น ขั้นตอนที่เกี่ยวข้องในแต่ละขั้นตอนของโฟโตลิโทกราฟีมีดังนี้ ◈ ทำความสะอาดเวเฟอร์ ◈ วางชั้นกั้น SiO2, Si3N4, โลหะ ◈ ทาโฟโตรีซิสต์ ◈ อบอ่อน ◈ จัดตำแหน่งมาส์ก ◈ เปิดรับแสงกราฟิก ◈ การพัฒนา ◈ อบ ◈ กัดกร่อน ◈ เอาโฟโตรีซิสต์ออก (2) การเตรียมรูปแบบ การเตรียมรูปแบบ นักออกแบบ IC ใช้ซอฟต์แวร์ CAD เพื่อออกแบบรูปแบบของแต่ละชั้น จากนั้นรูปแบบจะถูกถ่ายโอนไปยังพื้นผิวควอตซ์โปร่งใสทางแสง (เทมเพลต) โดยใช้รูปแบบโดยใช้เครื่องสร้างรูปแบบเลเซอร์หรือลำแสงอิเล็กตรอน

(3) การถ่ายโอนรูปแบบ (การเปิดรับแสง) ในกรณีนี้ จะใช้เครื่องพิมพ์หินเพื่อฉายและคัดลอกรูปแบบจากเทมเพลตลงบนชั้นชิป

(4) การพัฒนาและการอบ ◈ หลังจากการเปิดรับแสง เวเฟอร์จะถูกพัฒนาในสารละลายกรดหรือด่างเพื่อขจัดพื้นที่ที่เปิดรับแสงของโฟโตเรซิสต์ ◈ เมื่อกำจัดโฟโตเรซิสต์ที่เปิดรับแสงแล้ว เวเฟอร์จะถูก "อบ" ที่อุณหภูมิต่ำเพื่อทำให้โฟโตเรซิสต์ที่เหลือแข็งตัว

3. กระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ - การกัดและการฝังไอออน (1) การกัดแบบเปียกและแบบแห้ง ◈ การกัดด้วยสารเคมีจะดำเนินการบนแพลตฟอร์มเปียกขนาดใหญ่ ◈ สารละลายกรด เบส และโซดาไฟชนิดต่างๆ จะถูกใช้เพื่อกำจัดพื้นที่ที่เลือกของวัสดุต่างๆ ◈ BOE หรือสารกัดกร่อนออกไซด์บัฟเฟอร์ ทำจากกรดไฮโดรฟลูออริกที่บัฟเฟอร์ด้วยแอมโมเนียมฟลูออไรด์ และใช้ในการกำจัดซิลิกอนไดออกไซด์โดยไม่กัดกร่อนชั้นซิลิกอนหรือโพลีซิลิกอนที่อยู่ด้านล่าง ◈ กรดฟอสฟอริกใช้ในการกัดกร่อนชั้นซิลิกอนไนไตรด์ ◈ กรดไนตริกใช้ในการกัดกร่อนโลหะ ◈ โฟโตรีซิสต์จะถูกกำจัดด้วยกรดซัลฟิวริก ◈ สำหรับการกัดแบบแห้ง เวเฟอร์จะถูกวางไว้ในห้องกัดกร่อนและกัดกร่อนด้วยพลาสมา ◈ ความปลอดภัยของบุคลากรเป็นข้อกังวลหลัก ◈ โรงงานหลายแห่งใช้เครื่องมืออัตโนมัติในการดำเนินการกัดกร่อน (2) การลอกสารต้านทาน
จากนั้นโฟโตเรซิสต์จะถูกแยกออกจากเวเฟอร์อย่างสมบูรณ์ โดยทิ้งรูปแบบออกไซด์ไว้บนเวเฟอร์

(3) การฝังไอออน
◈ การฝังไอออนจะเปลี่ยนคุณสมบัติทางไฟฟ้าของพื้นที่ที่แม่นยำภายในชั้นที่มีอยู่บนเวเฟอร์
◈ เครื่องปลูกไอออนใช้ท่อเร่งกระแสไฟฟ้าสูงและแม่เหล็กบังคับทิศทางและโฟกัสเพื่อยิงไอออนของสารเจือปนเฉพาะลงบนพื้นผิวเวเฟอร์
◈ ออกไซด์ทำหน้าที่เป็นตัวกั้นในขณะที่สารเคมีเจือปนถูกสะสมบนพื้นผิวและแพร่กระจายไปสู่พื้นผิว
◈ พื้นผิวซิลิกอนได้รับความร้อนถึง 900 องศาเพื่อการอบอ่อน และไอออนโดปันต์ที่ฝังไว้จะแพร่กระจายเข้าไปในเวเฟอร์ซิลิกอนต่อไป

4. กระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ - การสะสมฟิล์มบาง
การสะสมฟิล์มบางมีหลายวิธีและเนื้อหาดังนี้: (1) ซิลิกอนออกไซด์
เมื่อซิลิกอนอยู่ในออกซิเจน SiO2 จะเติบโตด้วยความร้อน ออกซิเจนมาจากออกซิเจนหรือไอน้ำ อุณหภูมิแวดล้อมต้องอยู่ที่ 900 ~ 1200 องศา ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นคือ
Si + O2 → SiO2
Si +2H2O ->ซิโอ2 + 2H2
พื้นผิวของเวเฟอร์ซิลิกอนหลังจากการออกซิเดชันแบบเลือกสรรแสดงไว้ในรูปด้านล่าง:

ทั้งออกซิเจนและน้ำจะแพร่กระจายผ่าน SiO2 ที่มีอยู่และรวมเข้ากับ Si เพื่อสร้าง SiO2 เพิ่มเติม น้ำ (ไอ) แพร่กระจายได้ง่ายกว่าออกซิเจน ดังนั้นไอจึงเติบโตได้เร็วกว่ามาก
ออกไซด์ใช้เพื่อสร้างชั้นฉนวนและชั้นพาสซีฟเพื่อสร้างเกตทรานซิสเตอร์ ออกซิเจนแห้งใช้เพื่อสร้างเกตและชั้นออกไซด์บางๆ ไอระเหยใช้เพื่อสร้างชั้นออกไซด์หนา ชั้นออกไซด์ฉนวนโดยทั่วไปมีขนาดประมาณ 1,500 นาโนเมตร และชั้นเกตโดยทั่วไปมีขนาดระหว่าง 200 นาโนเมตรถึง 500 นาโนเมตร
(2) การสะสมไอสารเคมี

การสะสมไอเคมี (CVD) ก่อให้เกิดฟิล์มบางๆ บนพื้นผิวของสารตั้งต้นผ่านการสลายตัวด้วยความร้อนและ/หรือปฏิกิริยาของสารประกอบก๊าซ
เครื่องปฏิกรณ์ CVD มีอยู่สามประเภทหลัก: ◈ การสะสมไอเคมีในบรรยากาศ
◈ ระบบ CVD แรงดันต่ำ (LPCVD)
◈ พลาสม่าเสริม CVD (PECVD)
แผนผังของกระบวนการ CVD ความดันต่ำแสดงไว้ด้านล่างนี้

กระบวนการปฏิกิริยาหลักของ CVD มีดังนี้
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->ซิลิกอน + 2h2 (600 องศา)
อัตราการสะสม 100 - 200 นาโนเมตร / นาที
สามารถเติมก๊าซฟอสฟอรัส (ฟอสฟีน) โบรอน (ไดโบเรน) หรืออาร์เซนิกได้ นอกจากนี้ โพลีซิลิกอนยังสามารถเติมก๊าซแพร่หลังจากการสะสมได้อีกด้วย
ii). ซิลิกอนไดออกไซด์ ไดออกไซด์
SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 องศา )
SiO2 ใช้เป็นฉนวนหรือชั้นพาสซีฟ โดยปกติจะเติมฟอสฟอรัสลงไปเพื่อให้การไหลของอิเล็กตรอนมีประสิทธิภาพดีขึ้น
iii). ซิลิกอนไนไตรด์ ซิลิกอนไนไตรด์
3SiH4 + 4NH3 ->ไซ3เอ็น4 + 12เอช2
(ไซเลน) (แอมโมเนีย) (ไนไตรด์)
(3) การสปัตเตอร์
เป้าหมายถูกโจมตีด้วยไอออนพลังงานสูง เช่น Ar+ และอะตอมในเป้าหมายจะถูกเคลื่อนย้ายและขนส่งไปยังพื้นผิว
โลหะเช่นอลูมิเนียมและไททาเนียมสามารถใช้เป็นเป้าหมายได้ (4) การระเหย
Al หรือ Au (ทองคำ) จะถูกให้ความร้อนจนถึงจุดระเหย และไอจะควบแน่นและสร้างฟิล์มบางๆ ปกคลุมพื้นผิวของเวเฟอร์
ตัวอย่างต่อไปนี้จะอธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับวิธีการสร้างวงจรบนเวเฟอร์ซิลิกอนทีละขั้นตอน ตั้งแต่การพิมพ์ด้วยแสง การกัด ไปจนถึงการสะสมไอออน:

5. กระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ - การทดสอบบรรจุภัณฑ์ (หลังการประมวลผล)
(1) การทดสอบเวเฟอร์ หลังจากการเตรียมวงจรขั้นสุดท้ายเสร็จสิ้นแล้ว อุปกรณ์ทดสอบบนเวเฟอร์จะถูกทดสอบโดยใช้วิธีทดสอบโพรบอัตโนมัติเพื่อกำจัดผลิตภัณฑ์ที่มีข้อบกพร่อง
(2) การหั่นเวเฟอร์ หลังจากการทดสอบโพรบ เวเฟอร์จะถูกตัดเป็นชิปแต่ละชิ้น
(3) การเดินสายและบรรจุภัณฑ์ ◈ ชิปแต่ละชิ้นจะเชื่อมต่อกับโครงนำ และสายอลูมิเนียมหรือทองจะเชื่อมต่อด้วยการบีบอัดด้วยความร้อนหรือการเชื่อมด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง ◈ บรรจุภัณฑ์เสร็จสมบูรณ์โดยการปิดผนึกอุปกรณ์ในบรรจุภัณฑ์เซรามิกหรือพลาสติก ◈ ชิปส่วนใหญ่ยังคงต้องผ่านการทดสอบการทำงานขั้นสุดท้ายก่อนที่จะส่งไปยังผู้ใช้ปลายทาง