Каков процесс производства полупроводников? Пошаговое руководство по созданию современных чипов

По своей сути, производство полупроводников — это процесс создания микроскопического города из миллиардов электронных переключателей на пластине из чистого кремния. Это не одно действие, а строго контролируемая последовательность из сотен отдельных шагов, которые в широком смысле делятся на четыре основных этапа: создание кремниевой пластины, изготовление схем на пластине (фронтальный процесс), соединение этих схем (тыловой процесс) и, наконец, тестирование и корпусирование готовых чипов. Каждый этап требует уровня точности, который является одним из самых высоких во всей современной промышленности.

Основная концепция, которую необходимо понять, заключается в том, что изготовление чипов представляет собой итерационный цикл аддитивных и субтрактивных процессов. Слои материала, иногда толщиной всего в один атом, кропотливо наносятся на кремниевую пластину, структурируются с помощью света, а затем избирательно удаляются травлением, постепенно формируя миллиарды транзисторов, составляющих современную интегральную схему.

От песка до кремния: Создание пластины

Прежде чем можно будет создать какую-либо схему, основа должна быть идеальной. Эта основа — почти безупречный, сверхчистый диск кремния, называемый пластиной (wafer).

Сырье: Поликристаллический кремний

Процесс начинается с кварцевого песка (диоксида кремния), который нагревают и очищают для получения кремния металлургического качества. Затем его дополнительно очищают до поликристаллического кремния электронного качества, материала чистотой 99,9999999%. Эта экстремальная чистота не подлежит обсуждению, поскольку даже малейшая примесь может нарушить электрические свойства чипа.

Выращивание слитка

Этот поликристаллический кремний расплавляют в тигле. К расплавленному кремнию опускают крошечный затравочный кристалл и медленно вытягивают его вверх при вращении. По мере вытягивания расплавленный кремний остывает и кристаллизуется, следуя кристаллической структуре затравочного кристалла. Это создает большой монокристаллический цилиндр, известный как слиток (ingot) или «буля» (boule), который может достигать более двух метров в длину и весить сотни килограммов.

Резка и полировка

Цилиндрический слиток затем разрезают на очень тонкие диски с помощью пилы с алмазным наконечником. Эти необработанные диски, называемые пластинами (wafers), шлифуют и полируют до зеркальной, безупречной поверхности. Типичная пластина тоньше миллиметра, но должна быть идеально плоской.

Сердце изготовления чипов: Фронтальный процесс (FEOL)

Здесь транзисторы — основные переключатели «вкл/выкл» чипа — конструируются непосредственно на поверхности кремниевой пластины. Это происходит посредством повторяющегося цикла из четырех ключевых процессов.

Шаг 1: Фотолитография (Чертеж)

Фотолитография — самый важный этап в производстве чипов. Слой светочувствительного материала, называемого фоторезистом, наносится на пластину. Над пластиной располагается маска, которая действует как трафарет, содержащий чертеж одного слоя схемы. Затем через маску проецируется свет определенной длины волны (часто глубокий ультрафиолет, или DUV/EUV), изменяя химическую структуру засвеченного фоторезиста.

Шаг 2: Травление (Вырезание узора)

Затем пластина подвергается воздействию химикатов или плазмы, которые удаляют размягченный фоторезист. В результате остается структурированный слой затвердевшего фоторезиста, защищающий одни участки пластины и обнажая другие. В процессе травления газ (сухое травление) или жидкость (влажное травление) используются для удаления материала с открытых участков, вырезая узор схемы в нижележащем слое.

Шаг 3: Осаждение (Нанесение новых слоев)

После травления на пластину наносятся новые слои материала. Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) — это процесс, при котором газы вступают в реакцию, образуя твердую пленку на пластине, используемую для создания изолирующих (диэлектрических) слоев. Физическое осаждение из газовой фазы (PVD), или распыление, бомбардирует материал-мишень ионами, выбивая атомы, которые затем осаждаются на пластине; это часто используется для металлических слоев.

Шаг 4: Легирование (Изменение проводимости)

Чтобы транзистор работал, необходимо изменить электрические свойства самого кремния. Это достигается с помощью ионной имплантации — процесса, при котором ускоритель частиц высокой энергии направляет специфические ионы (например, бор или фосфор) в кремниевую пластину. Это «легирование» создает области отрицательного (n-типа) и положительного (p-типа) типа, которые позволяют транзистору включаться и выключаться.

Этот цикл литографии, травления, осаждения и легирования повторяется сотни раз для создания сложных трехмерных структур современных транзисторов.

Соединение транзисторов: Тыловой процесс (BEOL)

После того как миллиарды транзисторов сформированы на этапе FEOL, их необходимо соединить. Эта «проводка», известная как межсоединение (interconnect), представляет собой плотную многослойную решетку из медных или алюминиевых путей, построенных поверх транзисторов.

Процесс металлизации

Процесс BEOL тесно повторяет FEOL, но фокусируется на создании проводящих путей, а не транзисторов. Наносится слой изоляционного материала, а затем литография и травление используются для создания канавок и переходных отверстий (вертикальных соединений), где будут располагаться провода.

Построение слоев проводки

Затем эти канавки заполняются медью в процессе, называемом даммасцен. Избыток меди на поверхности удаляется полировкой, оставляя идеально плоский слой с врезанной медной проводкой. Этот процесс повторяется для создания сложной «магистральной системы» из 10–20 слоев проводки, которая соединяет все отдельные транзисторы в функционирующую схему.

Понимание компромиссов и проблем

Процесс производства полупроводников определяется его экстремальными проблемами. Успех измеряется способностью их преодолевать.

Тирания чистоты

Современный транзистор настолько мал, что одна пылинка подобна гигантскому валуну, способному вызвать короткое замыкание и уничтожить весь чип. Именно поэтому чипы производятся в чистых помещениях — помещениях, которые в тысячи раз чище, чем операционная. Работники должны носить защитные костюмы с ног до головы («bunny suits»), чтобы предотвратить загрязнение.

Стремление к уменьшению узлов

Прогресс отрасли обусловлен уменьшением размеров транзисторов — тенденция, описываемая Законом Мура. Эти «техпроцессы» (например, 7 нм, 5 нм) относятся к масштабу элементов на чипе. По мере уменьшения элементов физические проблемы, такие как квантовое туннелирование — когда электроны просачиваются через изоляторы, — становятся значительными, требуя новых материалов и конструкций транзисторов (таких как FinFET).

Выход годных: Главный показатель успеха

Выход годных (Yield) — это процент рабочих чипов на пластине. Поскольку процесс включает сотни шагов, крошечная ошибка на любом этапе может привести к дефекту. Выход годных 90% может показаться высоким, но это означает, что 10% невероятно дорогостоящего производства бесполезны. Улучшение выхода годных даже на 1–2% может принести миллионы долларов дополнительного дохода.

Завершение работы над чипом: Сборка и тестирование

После сотен шагов на пластине находится от сотен до тысяч отдельных чипов, называемых кристаллами (dies).

Тестирование пластины и резка

Сначала автоматические пробники тестируют каждый отдельный кристалл на пластине, чтобы определить, какие из них функциональны. Затем пластина разрезается на отдельные кристаллы с помощью алмазной пилы в процессе, называемом резкой (dicing).

Корпусирование и финальное тестирование

Функциональные кристаллы отправляются на корпусирование. Крошечный, хрупкий кремниевый кристалл монтируется на подложку и заключается в защитный пластиковый или керамический корпус. Этот корпус обеспечивает металлические выводы или площадки, которые соединяют чип с внешним миром. После корпусирования чип проходит окончательное строгое тестирование перед отправкой.

Почему этот процесс важен

Понимание основ изготовления чипов дает важнейший контекст для всего технологического ландшафта.

• Если ваша основная цель — инженерия или исследования: Осознайте, что итерационный цикл литографии, травления, осаждения и легирования является фундаментальным строительным блоком всей современной электроники.
• Если ваша основная цель — бизнес или инвестиции: Поймите, что выход годных, огромные капитальные затраты на фабрику (fab) и неустанная гонка к уменьшению техпроцессов являются основными движущими силами рыночной конкуренции и динамики цепочек поставок.
• Если ваша основная цель — технологии в целом: Оцените, что смартфон в вашей руке или сервер, работающий в облаке, является результатом одного из самых сложных, точных и дорогостоящих производственных процессов, когда-либо разработанных человечеством.

В конечном счете, цифровой мир построен не только на умном программном обеспечении, но и на физическом фундаменте прикладной физики и производственной точности в почти невообразимых масштабах.

Сводная таблица:

Этап	Ключевой процесс	Назначение
Создание пластины	Рост кристалла и полировка	Создание сверхчистой кремниевой основы
Фронтальный процесс (FEOL)	Фотолитография, травление, осаждение, легирование	Создание миллиардов транзисторов
Тыловой процесс (BEOL)	Металлизация и процесс Даммасена	Соединение транзисторов металлическими слоями
Сборка и тестирование	Резка, корпусирование, финальное тестирование	Подготовка отдельных чипов к использованию

Готовы оснастить свою лабораторию для полупроводниковых исследований или производства? KINTEK специализируется на высокоточных лабораторных приборах и расходных материалах, необходимых для процессов производства полупроводников, включая системы осаждения, инструменты травления и решения для работы с пластинами. Наш опыт гарантирует надежность и чистоту, требуемые вашей работой. Свяжитесь с нашими специалистами сегодня, чтобы обсудить, как мы можем поддержать специфические потребности вашей лаборатории в полупроводниковой промышленности.