Puolijohdekomponenttien valmistus sisältää joukon monimutkaisia tuotantoprosesseja, joissa raaka-aineet muunnetaan valmiiksi komponenteiksi eri sovelluksiin, jotka tarjoavat kriittisiä ohjaus- ja tunnistustoimintoja.
Puolijohteiden valmistus käsittää joukon monimutkaisia prosesseja raaka-aineiden muuntamiseksi lopullisiksi valmiiksi komponenteiksi. Puolijohteiden valmistusprosessi sisältää yleensä neljä päävaihetta: kiekkojen valmistus, kiekkojen testauskokoonpano tai pakkaus ja lopputestaus. Jokaisella vaiheella on omat ainutlaatuiset haasteensa ja mahdollisuutensa.
Puolijohteiden valmistusprosessissa on myös monia haasteita, kuten kustannuksia, monimutkaisuutta, monipuolisuutta ja tuottoa, mutta se tarjoaa myös suuria mahdollisuuksia innovaatioon ja kehitykseen. Vastaamalla vaikeuksiin ja tarttumalla mahdollisuuksiin voimme edistää uusien teknologioiden kehitystä muuttaaksemme tapaamme elää ja työskennellä samalla kun mahdollistamme teollisuuden jatkuvan kehittymisen ja kasvun.
一. Yleiskatsaus puolijohteiden valmistusprosessiin
Puolijohteiden valmistusprosessi voidaan jakaa seuraaviin avainvaiheisiin.
1. Kiekkojen valmistus
Piikiekot valitaan puolijohdeprosessin lähtömateriaaliksi. Kiekot puhdistetaan, kiillotetaan ja valmistetaan käytettäviksi substraateina elektronisten komponenttien valmistukseen.
2. Kuviointi
Tässä prosessissa piikiekoihin luodaan kuvioita fotolitografiaksi kutsutulla prosessilla. Kiekon pinnalle levitetään kerros korroosionkestävää fotoresistiä ja sitten kiekon päälle asetetaan maski. Maskissa on vastaavia esivalmistettuja elektronisia komponentteja vastaava kuvio. Kuvio siirretään sitten naamiosta fotoresistikerrokselle ultraviolettivalolla. Tämän jälkeen valotetut fotoresistialueet poistetaan, jolloin kiekkoon jää kuviollinen pinta.
3. Materiaalidoping
Tässä vaiheessa piikiekkoon lisätään materiaaleja sen sähköisten ominaisuuksien muuttamiseksi. Yleisimmin käytetyt materiaalit ovat boori tai fosfori, joita voidaan lisätä pieniä määriä p-tyypin tai n-tyypin puolijohteiden valmistamiseksi. Nämä materiaalit istutetaan kiekon pintaan käyttämällä ionikiihdytystä prosessissa, jota kutsutaan ioni-istutukseksi.
4. Kiekkojen pinnoituskäsittely
Tämän prosessin aikana ohutkalvomateriaaleja kerrostetaan kiekolle elektronisten komponenttien luomiseksi. Tämä voidaan saavuttaa useilla tekniikoilla, mukaan lukien kemiallinen höyrypinnoitus (CVD), fyysinen höyrypinnoitus (PVD) ja atomikerrospinnoitus (ALD). Näitä prosesseja voidaan käyttää materiaalien, kuten metallien, oksidien ja nitridien, kerrostamiseen.
5. Etsaus
Osa materiaalista poistetaan kiekon pinnasta elektronisen komponentin vaatiman muodon ja rakenteen tuottamiseksi. Etsaus voidaan suorittaa useilla eri tekniikoilla, mukaan lukien märkäetsaus, kuivaetsaus ja plasmaetsaus. Näissä prosesseissa käytetään kemikaaleja tai plasmaa tiettyjen materiaalien valikoivaan poistamiseen kiekosta.
6. Pakkaus
Elektroniset komponentit pakataan lopputuotteeksi, jota voidaan käyttää elektroniikkalaitteissa. Tämä sisältää komponenttien liittämisen alustaan, kuten painettuun piirilevyyn, ja liittämisen sitten muihin komponentteihin johtoja tai muita keinoja käyttämällä. Puolijohdeprosessit ovat erittäin monimutkaisia, ja niihin liittyy useita erikoislaitteita ja materiaaleja. Nämä prosessit ovat välttämättömiä nykyaikaisten elektronisten laitteiden valmistuksessa, ja ne kehittyvät jatkuvasti uusien teknologioiden toistuessa.
Tyypillisesti puolijohdesirujen valmistusprosessi kestää muutamasta viikosta muutamaan kuukauteen. Ensimmäisestä vaiheesta alkaen on valmistettava piikiekko, joka toimii sirun alustana. Tämä prosessi sisältää tyypillisesti seuraavat prosessit: puhdistus, pinnoitus, litografia, syövytys ja seostus. Kiekon on ehkä suoritettava satoja erilaisia prosessitoimintoja, joten koko kiekon valmistusprosessi voi kestää jopa 16-18 viikkoa.
Kun yksittäiset sirut on valmistettu kiekolle, ne on erotettava ja pakattava yksittäisiksi yksiköiksi. Tämä sisältää myös jokaisen sirun testaamisen sen varmistamiseksi, että se täyttää vaatimukset, minkä jälkeen se erotetaan kiekosta ja kiinnitetään pakkaukseen tai alustaan. Kun sirut on pakattu, ne käyvät läpi tiukan testausprosessin sen varmistamiseksi, että ne täyttävät laatustandardit ja saavuttavat odotetut toiminnot. Tämä sisältää elektronisten testien, toimintatestien ja muun tyyppisten varmistustestien suorittamisen mahdollisten vikojen tai ongelmien tunnistamiseksi. Tämä riippuu myös sirun monimutkaisuudesta ja vaadituista testausvaatimuksista, joten tämä pakkaus- ja testausprosessi voi kestää 8-10 viikkoa.
Kaiken kaikkiaan koko puolijohdesirujen valmistusprosessi voi kestää useita viikkoja tai kuukausia, koska se riippuu käytetyistä teknologioista ja sirusuunnittelun monimutkaisuudesta.
2. Puolijohteiden valmistuksen trendit ja haasteet
1. Kuvion siirto
Kuvionsiirtoteknologian edistymisestä on tullut puolijohdeteollisuuden nopean kehityksen keskeinen tekijä, mikä mahdollistaa pienempien ja monimutkaisempien elektronisten komponenttien valmistuksen.
Merkittävä edistysaskel kuvionsiirtotekniikassa on edistyneen litografian kehitys, joka on prosessi, jossa kuvioita siirretään väliaineeseen käyttämällä valoa tai muita säteilylähteitä. Erityisesti viime vuosina kehitettyjä litografiatekniikoita, kuten äärimmäisen ultravioletti (EUV) -litografiaa ja monikuviotekniikkaa, käytetään pienemmän ja monimutkaisemman grafiikan tuottamiseen.
EUV-litografia käyttää erittäin lyhyitä aallonpituisia valonsäteitä luomaan erittäin tarkkoja kuvioita piikiekoihin. Tällä tekniikalla voidaan luoda jopa muutaman nanometrin kokoja, mikä on välttämätöntä kehittyneiden elektronisten komponenttien, kuten mikroprosessorien, valmistuksessa.
Monikuviointi on toinen litografiatekniikka, jolla voidaan luoda pienempiä kuvioita. Tämä tekniikka sisältää yhden kuvion hajoamisen useiksi mikropolaariseksi kuvioiksi ja siirtämisen sitten kiekon pinnalle. Tämän seurauksena luotu kuvio voi olla pienempi kuin litografiassa käytettävä säteilyn aallonpituus.
2. Doping
Seostusaineet ovat erityisten väliaineiden lisäämistä piikiekoihin niiden sähköisten ominaisuuksien muuttamiseksi. Dopingtekniikan kehitys on ollut keskeinen tekijä puolijohdeteollisuuden nopeassa kehityksessä. Tämä teknologinen kehitys johtuu uusien dielektristen materiaalien ilmaantumisesta.
Perinteisesti boori ja fosfori ovat yleisimmin käytettyjä seostusmateriaaleja, koska ne voivat tuottaa vastaavasti p-tyypin ja n-tyypin puolijohteita. Viime vuosina on kuitenkin kehitetty uusia materiaaleja, kuten germanium, arseen ja antimoni, ja niitä voidaan käyttää monimutkaisempien elektronisten komponenttien valmistukseen.
Toinen dopingtekniikan edistysaskel on tarkempien dopingprosessien kehittäminen. Aiemmin ioni-istutus oli tärkein dopingtekniikka, joka sisälsi nopeiden ionien käytön dielektristen aineiden istuttamiseen kiekon pintaan. Vaikka ioni-implantaatiota käytetään edelleen yleisesti, uusia tekniikoita, kuten molekyylisuihkuepitaksia (MBE) ja kemiallista höyrypinnoitusta (CVD), on kehitetty dopingprosessin tarkemman hallinnan mahdollistamiseksi.
3. Laskeuma
Päällystys on toinen keskeinen prosessi puolijohteiden valmistuksessa, johon kuuluu ohuen materiaalikalvon kerrostaminen substraatille. Tämä prosessi voidaan saavuttaa eri teknologioilla, kuten fysikaalisella höyrypinnoituksella (PVD), kemiallisella höyrypinnoituksella (CVD), atomikerrospinnoituksella (ALD) jne.
Samaan aikaan myös uusia tekniikoita kehitetään jatkuvasti, mukaan lukien metalliorgaaninen kemiallinen höyrypinnoitus (MOCVD), plasmatehostepinnoitus, rullalta rullalle pinnoitus jne.
4. Etsaus
Etsaus sisältää tiettyjen puolijohdemateriaalien osien poistamisen kuvioiden tai rakenteiden luomiseksi. Etsaustekniikan edistys on tärkein syy puolijohdeteollisuuden nopeaan kehitykseen, ja se on myös keskeinen teknologia pienempien ja monimutkaisempien elektronisten komponenttien valmistuksessa.
Aiemmin märkäetsaus oli pääasiallinen yleisesti käytetty tekniikka, jossa kiekko upotetaan liuokseen, joka liuottaa materiaalia. Märkäsyövytys ei kuitenkaan ole tarkkaa ja voi vahingoittaa viereisiä rakenteita.
Kuivaetsaustekniikan ilmaantuminen on mahdollistanut entistä tarkemman ja paremmin hallittavan etsaustuotannon, kuten reaktiivisen ionisyövytyksen (RIE) ja plasmaetsauksen. RIE on tekniikka, joka käyttää reaktiivisia ioneja materiaalin selektiiviseen poistamiseen kiekosta, mikä mahdollistaa etsausprosessin tarkan hallinnan.
Plasmaetsaus on samanlainen tekniikka, joka käyttää kaasuplasmaa materiaalin poistamiseen, mutta sen lisäetu on tiettyjen materiaalien, kuten metallien tai piin, valikoiva poistaminen.
5. Pakkaus
Puolijohteiden valmistuksen pakkausprosessi sisältää integroidun piirin kapseloinnin suojakoteloon, joka tarjoaa myös sähköiset yhteydet ulkomaailmaan. Pakkausprosessi vaikuttaa lopputuotteen suorituskykyyn, luotettavuuteen ja hintaan.
3D-pakkaus sisältää useiden sirujen pinoamisen yhteen korkeatiheyksisten integroitujen piirien luomiseksi. Tämä tekniikka voi pienentää laitteen kokonaiskokoa ja parantaa sen suorituskykyä samalla, kun se vähentää virrankulutusta.
Fan-out-pakkaus on tekniikka, joka upottaa integroidut piirit kerrokseen epoksimuovausmassaa käyttämällä sirusta tuuletettuja kuparipylväitä sähköliitäntöjä varten. Tämä tekniikka mahdollistaa suuren tiheyden pakkaamisen pienemmässä koossa.
System-in-Package (SiP) on toinen tekniikka, joka yhdistää useita siruja, antureita ja muita komponentteja yhdeksi paketiksi. Se voi pienentää laitteen kokonaiskokoa ja parantaa samalla sen yleistä suorituskykyä.