Uma explicação completa do processo de fabricação do chip (1/2): do wafer à embalagem e teste

A fabricação de cada produto semicondutor requer centenas de processos, e todo o processo de fabricação é dividido em oito etapas:processamento de wafer - oxidação - fotolitografia - gravura - deposição de filme fino - interconexão - testando - embalagem.

Etapa 1:Processamento de wafer

Todos os processos de semicondutores começam com um grão de areia! Porque o silício contido na areia é a matéria-prima necessária para a produção de wafers. Wafers são fatias redondas cortadas de cilindros de cristal único feitos de silício (Si) ou arseneto de gálio (GaAs). Para extrair materiais de silício de alta pureza, é necessária areia de sílica, um material especial com teor de dióxido de silício de até 95%, que também é a principal matéria-prima para a fabricação de wafers. O processamento de wafer é o processo de fabricação dos wafers acima.

Fundição de lingote

Primeiro, a areia precisa ser aquecida para separar o monóxido de carbono e o silício nela contido, e o processo é repetido até que o silício de grau eletrônico de altíssima pureza (EG-Si) seja obtido. O silício de alta pureza derrete em líquido e depois solidifica em uma forma sólida de cristal único, chamada de "lingote", que é a primeira etapa na fabricação de semicondutores.

A precisão de fabricação dos lingotes de silício (pilares de silício) é muito alta, atingindo o nível nanométrico, e o método de fabricação amplamente utilizado é o método Czochralski.

Corte de lingotes

Concluída a etapa anterior, é necessário cortar as duas pontas do lingote com uma serra diamantada e a seguir cortá-lo em fatias finas de determinada espessura. O diâmetro da fatia do lingote determina o tamanho do wafer. Wafers maiores e mais finos podem ser divididos em unidades mais utilizáveis, o que ajuda a reduzir os custos de produção. Após o corte do lingote de silício, é necessário adicionar marcas de “área plana” ou “amassado” nas fatias para facilitar a definição da direção de processamento como padrão nas etapas subsequentes.

Polimento de superfície de wafer

As fatias obtidas através do processo de corte acima são chamadas de “wafers nus”, ou seja, “wafers crus” não processados. A superfície do wafer nu é irregular e o padrão do circuito não pode ser impresso diretamente nele. Portanto, é necessário primeiro remover os defeitos superficiais por meio de processos de retificação e ataque químico, depois polir para formar uma superfície lisa e, em seguida, remover os contaminantes residuais por meio de limpeza para obter um wafer acabado com uma superfície limpa.

Etapa 2: oxidação

O papel do processo de oxidação é formar uma película protetora na superfície do wafer. Ele protege o wafer de impurezas químicas, evita a entrada de corrente de fuga no circuito, evita a difusão durante a implantação iônica e evita que o wafer escorregue durante a gravação.

A primeira etapa do processo de oxidação é remover impurezas e contaminantes. São necessárias quatro etapas para remover matéria orgânica, impurezas metálicas e evaporar a água residual. Após a limpeza, o wafer pode ser colocado em um ambiente de alta temperatura de 800 a 1200 graus Celsius, e uma camada de dióxido de silício (isto é, "óxido") é formada pelo fluxo de oxigênio ou vapor na superfície do wafer. O oxigênio se difunde através da camada de óxido e reage com o silício para formar uma camada de óxido de espessura variável, e sua espessura pode ser medida após a conclusão da oxidação.

Oxidação seca e oxidação úmida Dependendo dos diferentes oxidantes na reação de oxidação, o processo de oxidação térmica pode ser dividido em oxidação seca e oxidação úmida. O primeiro usa oxigênio puro para produzir uma camada de dióxido de silício, que é lenta, mas a camada de óxido é fina e densa. Este último requer oxigênio e vapor de água altamente solúvel, que é caracterizado por uma taxa de crescimento rápida, mas por uma camada protetora relativamente espessa e de baixa densidade.

Além do oxidante, existem outras variáveis ​​que afetam a espessura da camada de dióxido de silício. Primeiro, a estrutura do wafer, seus defeitos superficiais e a concentração interna de dopagem afetarão a taxa de geração da camada de óxido. Além disso, quanto maior a pressão e a temperatura geradas pelo equipamento de oxidação, mais rapidamente será gerada a camada de óxido. Durante o processo de oxidação, também é necessário utilizar uma folha falsa de acordo com a posição do wafer na unidade para protegê-lo e reduzir a diferença no grau de oxidação.

Etapa 3: Fotolitografia

A fotolitografia consiste em "imprimir" o padrão do circuito no wafer através da luz. Podemos entendê-lo como desenhar o mapa plano necessário para a fabricação de semicondutores na superfície do wafer. Quanto maior a finura do padrão do circuito, maior será a integração do chip acabado, o que deve ser alcançado por meio de tecnologia avançada de fotolitografia. Especificamente, a fotolitografia pode ser dividida em três etapas: revestimento fotorresistente, exposição e revelação.

Revestimento

O primeiro passo para desenhar um circuito em um wafer é revestir o fotorresiste na camada de óxido. O Photoresist transforma o wafer em um “papel fotográfico”, alterando suas propriedades químicas. Quanto mais fina for a camada fotorresistente na superfície do wafer, mais uniforme será o revestimento e mais fino será o padrão que pode ser impresso. Esta etapa pode ser realizada pelo método de "revestimento giratório". De acordo com a diferença na reatividade à luz (ultravioleta), os fotorresistentes podem ser divididos em dois tipos: positivos e negativos. O primeiro se decomporá e desaparecerá após a exposição à luz, deixando o padrão da área não exposta, enquanto o último se polimerizará após a exposição à luz e fará aparecer o padrão da parte exposta.

Exposição

Depois que o filme fotorresistente é coberto pelo wafer, a impressão do circuito pode ser concluída controlando a exposição à luz. Este processo é denominado "exposição". Podemos passar luz seletivamente através do equipamento de exposição. Quando a luz passa pela máscara que contém o padrão do circuito, o circuito pode ser impresso no wafer revestido com o filme fotorresistente abaixo.

Durante o processo de exposição, quanto mais fino o padrão impresso, mais componentes o chip final pode acomodar, o que ajuda a melhorar a eficiência da produção e a reduzir o custo de cada componente. Neste campo, a nova tecnologia que atualmente atrai muita atenção é a litografia EUV. O Lam Research Group desenvolveu em conjunto uma nova tecnologia fotorresistente de filme seco com os parceiros estratégicos ASML e imec. Esta tecnologia pode melhorar muito a produtividade e o rendimento do processo de exposição da litografia EUV, melhorando a resolução (um fator chave no ajuste fino da largura do circuito).

Desenvolvimento

A etapa após a exposição é borrifar o revelador no wafer, o objetivo é retirar o fotorresistente da área descoberta do padrão, para que o padrão do circuito impresso possa ser revelado. Após a conclusão do desenvolvimento, ele precisa ser verificado por diversos equipamentos de medição e microscópios ópticos para garantir a qualidade do diagrama de circuito.

Etapa 4: Gravura

Após a conclusão da fotolitografia do diagrama de circuito no wafer, um processo de gravação é usado para remover qualquer excesso de filme de óxido e deixar apenas o diagrama de circuito semicondutor. Para isso, utiliza-se líquido, gás ou plasma para retirar o excesso selecionado. Existem dois métodos principais de ataque químico, dependendo das substâncias utilizadas: ataque úmido usando uma solução química específica para reagir quimicamente para remover o filme de óxido, e ataque seco usando gás ou plasma.

Gravura úmida

O ataque úmido usando soluções químicas para remover filmes de óxido tem as vantagens de baixo custo, rápida velocidade de ataque e alta produtividade. Porém, o ataque úmido é isotrópico, ou seja, sua velocidade é a mesma em qualquer direção. Isso faz com que a máscara (ou filme sensível) não fique completamente alinhada com o filme de óxido gravado, tornando difícil processar diagramas de circuitos muito finos.

Gravura a Seco

A gravação a seco pode ser dividida em três tipos diferentes. O primeiro é o ataque químico, que utiliza gases de ataque (principalmente fluoreto de hidrogênio). Assim como o ataque úmido, este método é isotrópico, o que significa que não é adequado para ataque fino.

O segundo método é a pulverização catódica física, que utiliza íons no plasma para impactar e remover o excesso da camada de óxido. Como método de ataque anisotrópico, o ataque por pulverização catódica tem diferentes taxas de ataque nas direções horizontal e vertical, portanto, sua finura também é melhor do que o ataque químico. No entanto, a desvantagem deste método é que a velocidade de gravação é lenta porque depende inteiramente da reação física causada pela colisão de íons.

O último terceiro método é a gravação iônica reativa (RIE). O RIE combina os dois primeiros métodos, ou seja, enquanto se utiliza plasma para ataque físico de ionização, o ataque químico é realizado com a ajuda de radicais livres gerados após a ativação do plasma. Além da velocidade de gravação exceder os dois primeiros métodos, o RIE pode usar as características anisotrópicas dos íons para obter gravação de padrões de alta precisão.

Hoje, a gravação a seco tem sido amplamente utilizada para melhorar o rendimento de circuitos semicondutores finos. Manter a uniformidade total da gravação do wafer e aumentar a velocidade da gravação são essenciais, e o equipamento de gravação a seco mais avançado da atualidade está apoiando a produção dos chips lógicos e de memória mais avançados com maior desempenho.

VeTek Semiconductor é um fabricante chinês profissional deRevestimento de carboneto de tântalo, Revestimento de carboneto de silício, Grafite Especial, Cerâmica de Carboneto de SilícioeOutras cerâmicas semicondutoras. A VeTek Semiconductor está comprometida em fornecer soluções avançadas para vários produtos SiC Wafer para a indústria de semicondutores.

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