Производство полупроводников — это процесс превращения высокочистых полупроводниковых материалов в функциональные микросхемы посредством последовательности этапов: подготовка пластин, формирование тонких пленок, фотолитография, травление, легирование, металлизация, тестирование, нарезка, упаковка и окончательная проверка. В отличие от традиционного производства, в полупроводниковой технологии микроскопические электрические структуры создаются слой за слоем в строго контролируемых условиях чистой комнаты.
В этом руководстве объясняется, что такое производство полупроводников, как происходит процесс производства полупроводников от исходного кремния до готовых чипов, в чем разница между производством на начальном и конечном этапах, основной технологический процесс изготовления пластин, оборудование для производства полупроводников, упаковка, тестирование, производственные проблемы, а также методы высокоточной обработки, используемые для поддержки оборудования для производства полупроводников.
Что такое производство полупроводников?
Производство полупроводников — это строго контролируемый процесс создания транзисторов, схем, датчиков, запоминающих устройств, силовых приборов и других электронных структур на кремниевых пластинах или других полупроводниковых подложках. Он сочетает в себе химические, физические, оптические, электрические и прецизионные производственные процессы, прежде чем отдельные микросхемы будут упакованы и протестированы.
Компания Bosch описывает производство полупроводников как последовательность химических, физических и литографических процессов, которые точно наносят, формируют и модифицируют тонкие пленки на полупроводниковых подложках. Современное производство осуществляется в специализированных чистых помещениях, называемых фабриками, и может включать сотни отдельных операций в течение нескольких недель.
Упрощенный маршрут производства полупроводников выглядит следующим образом:
Полупроводниковые материалы → Пластина → Изготовление устройства → Тестирование пластины → Нарезка → Упаковка → Окончательное тестирование → Готовый полупроводник
Полупроводник против кремниевой пластины против чипа против полупроводникового устройства
Полупроводник — это материал, кремниевая пластина — это обрабатываемая подложка, чип — это отдельный кристалл, вырезанный из этой пластины, а полупроводниковое устройство — это функциональный электронный компонент, изготовленный из чипа.
| Срок | Смысл | Пример |
| Полупроводниковое | Материал с регулируемой электропроводностью | Кремний, SiC, GaN |
| Вафля | Тонкая круглая полупроводниковая подложка | кремниевая пластина 200 мм или 300 мм |
| Кристалл / Микросхема | Отдельная схема, выделенная из обработанной пластины. | Процессор вышел из строя, память вышла из строя |
| Полупроводниковое устройство | Функциональный упакованный электронный компонент | MOSFET, микроконтроллер, датчик, диод |
Секисуи суммирует этот процесс следующим образом: полупроводниковый материал → пластина → чип → полупроводниковое устройство. Пластина становится производственной платформой, на которой многократно выполняются этапы осаждения, литографии, травления, легирования и межсоединений для создания электронных схем.
Чем производство полупроводников отличается от других производственных процессов?
Производство полупроводников отличается от традиционного производства тем, что оно осуществляется на микроскопическом и нанометровом уровнях, предполагает многократную модификацию одной и той же пластины и требует исключительно строгого контроля загрязнения и технологических процессов.
| фактор | Производство полупроводников | Обычное производство |
| Типичный масштаб | От микроскопического до нанометрового диапазона | Миллиметр в метр |
| Окружающая среда | Контролируемая чистая комната | Общая промышленная среда |
| Структура процесса | Сотни повторных операций | Обычно меньше операций |
| Создание продукта | Слой за слоем | Резка, формовка, литье, сборка |
| Чувствительность к дефектам | Очень высокая | Зависит от приложения |
| Сроки изготовления | Возможны недели или месяцы | От часов до недель |
| Прослеживаемость | пластина, партия, кристалл, уровень процесса | на уровне детали или партии |
Компания Bosch приводит показательное сравнение примерно 200–1,000+ отдельных этапов производства полупроводниковых компонентов с 10–100 этапами сборки в традиционном производстве электроники, иллюстрируя, почему контроль технологического процесса и выход годной продукции имеют центральное значение для производства микросхем.
Какие материалы используются в производстве полупроводников?
В производстве полупроводников наиболее широко используется кремний высокой чистоты, в то время как карбид кремния, нитрид галлия, арсенид галлия, германий, диэлектрические материалы, металлы, фоторезисты, технологические газы и специальные химикаты используются для конкретных устройств и этапов изготовления.
Выбор материала влияет на электропроводность, ширину запрещенной зоны, напряжение пробоя, тепловые характеристики, частоту переключения, совместимость с технологическим процессом и себестоимость производства. Он также определяет, какие технологии изготовления кремниевых пластин могут быть эффективно использованы.
кремний
Кремний является доминирующим полупроводниковым материалом, поскольку его электрические свойства можно контролировать путем легирования, а также потому, что существует развитая производственная экосистема для кремниевых пластин и интегральных схем на основе кремния.
Кремний высокой чистоты выращивают в виде монокристаллических слитков, которые затем разрезают на пластины перед изготовлением устройств. Секисуи описывает метод выращивания кристаллов Чохральского как распространенный способ, при котором затравочный кристалл постепенно вытягивают из расплавленного кремния для создания монокристаллического слитка.
Карбид кремния и другие составные полупроводники
Карбид кремния и другие полупроводниковые соединения используются в тех случаях, когда для работы требуются электрические, тепловые, оптические характеристики, а также параметры напряжения или частоты, которые обычный кремний может не обеспечивать в достаточной мере.
К важным полупроводниковым материалам относятся:
- Карбид кремния (SiC)
- Нитрид галлия (GaN)
- Арсенид галлия (GaAs)
- Германий (Ge)
- Фосфид индия (InP)
SiC и GaN играют особенно важную роль в силовой электронике, высокочастотной электронике, электромобилях, зарядных устройствах, возобновляемой энергетике и промышленных энергетических системах.
Почему важна чистота полупроводниковых материалов
Чистота полупроводниковых материалов имеет важное значение, поскольку даже крайне малые концентрации нежелательных примесей могут изменить электрические характеристики или привести к появлению дефектов в процессе изготовления пластин.
Контролируемое легирование полезно, поскольку концентрация и расположение легирующей примеси целенаправленно регулируются. Неконтролируемое загрязнение отличается тем, что может изменять пороговое напряжение, ток утечки, адгезию пленки, поведение перехода, надежность или выход годности.
Секисуи подчеркивает, что высокая чистота и хорошая кристалличность имеют важное значение на этапах подготовки кремния и выращивания кристаллов, поскольку даже небольшие нежелательные примеси могут способствовать возникновению дефектов на последующих этапах.
Как работает производственная цепочка в полупроводниковой промышленности?
Производственная цепочка в полупроводниковой отрасли охватывает все этапы: от проектирования микросхем и производства материалов до изготовления кремниевых пластин, упаковки, тестирования и выпуска готовых полупроводниковых устройств. Разные компании могут специализироваться на одном этапе или интегрировать несколько этапов в рамках одной организации.
Физический производственный процесс — это лишь одна часть более широкой экосистемы полупроводниковой промышленности. Разработчики микросхем, поставщики кремниевых пластин, производители химической продукции, производители оборудования, литейные цеха, компании по упаковке, поставщики услуг тестирования и поставщики прецизионного оборудования — все они вносят свой вклад в конечный продукт.
Проектирование полупроводников
Проектирование полупроводниковых устройств определяет архитектуру схемы, расположение транзисторов, интерфейсы, физическую компоновку и целевые показатели производительности еще до начала изготовления кремниевых пластин.
Проектные группы создают информацию о схеме, которая в конечном итоге становится шаблонами для фотолитографии. Ошибка проектирования, обнаруженная после завершения производства, может обойтись чрезвычайно дорого, поскольку могут потребоваться новые шаблоны, циклы изготовления и проверка.
Производство вафель и сырья
Производство кремниевых пластин и сырья обеспечивает поставку высокочистых подложек, фотошаблонов, фоторезистов, технологических химикатов, газов, металлов и специальных материалов, необходимых для изготовления.
Подготовка кремния обычно включает в себя очистку, выращивание кристаллов, нарезку, полировку, очистку и проверку перед тем, как пластина будет готова к изготовлению устройства.
Изготовление пластин
Технология изготовления кремниевых пластин позволяет создавать транзисторы и электрические структуры на пластине посредством многократных операций формирования рисунка, осаждения, травления, легирования, очистки, выравнивания и металлизации.
Компания Sekisui размещает производство полупроводниковых компонентов в центре цепочки создания стоимости полупроводников, где схемы физически преобразуются в рабочие структуры на кремниевых пластинах.
Упаковка и тестирование
Упаковка и тестирование защищают отдельные кристаллы, обеспечивают электрические соединения, создают пути теплопередачи и проверяют соответствие готовых устройств требуемым характеристикам.
В зависимости от продукта, для упаковки могут использоваться проволочное соединение, межсоединения типа «перевернутый чип», подложки, инкапсуляция, термоматериалы или передовая многокристальная интеграция.
Готовые полупроводниковые приборы
Готовые полупроводниковые устройства проходят тестирование, а микросхемы упаковываются и готовы к интеграции в электронные системы.
В качестве примеров можно привести центральные процессоры, графические процессоры, запоминающие устройства, микроконтроллеры, силовые MOSFET-транзисторы, диоды, датчики, радиочастотные устройства и специализированные интегральные схемы.
Что такое производство полупроводниковых компонентов на этапах "фронтенд" и "бэкенд"?
На этапе подготовки полупроводниковых компонентов создаются электронные устройства и схемы на кремниевой пластине, а на этапе подготовки компонентов происходит разделение, упаковка, соединение и тестирование отдельных кристаллов после изготовления пластины.
Компания Bosch описывает основной этап передачи проекта как происходящий после электрического тестирования на уровне пластины. На начальном этапе в основном выполняется обработка пластин, а на заключительном этапе пригодные для использования кристаллы преобразуются в упакованные компоненты.
| фактор | Front-End | Back-End |
| Главный объект | Вафля | Отдельная штамповка/упаковка |
| Основная цель | Строить электрические конструкции | Защита и подключение микросхем |
| литография | Да | Обычно это не традиционная литография FEOL. |
| Травление/нанесение | Обширное | Зависящий от процесса |
| Игра в кости | Нет | Да |
| Упаковка | Нет | Да |
| Окончательное тестирование | Ограниченное тестирование пластин | Обширный заключительный тест |
Изготовление кремниевых пластин на начальном этапе производства
На этапе изготовления входного слоя кремниевой пластины на полупроводниковой подложке формируются транзисторы, контакты, диэлектрические слои и структуры межсоединений.
Типичные процессы на начальном этапе включают окисление, литографию, осаждение, травление, ионную имплантацию, термическую обработку, очистку и химико-механическую полировку.
Эти операции могут повторяться много раз, прежде чем будет сформирована полная цепь.
Сборка и тестирование серверной части.
На заключительном этапе производства полупроводниковых микросхем кристаллы отделяются от кремниевой пластины, прикрепляются к корпусам или подложкам, создаются электрические соединения, обеспечивается их защита и проводится окончательное тестирование.
К распространенным операциям относятся:
- Утончение пластин
- зондирование пластины
- Игра в кости
- Die прикрепить
- Проволочное соединение или соединение методом флип-чип
- Инкапсуляция
- Проверка упаковки
- Электрические испытания
- Тестирование надежности
- Окончательная упаковка
Основные различия между фронтенд- и бэкенд-процессами
Ключевое различие заключается в том, что на этапе обработки на переднем плане создаются структуры полупроводниковых устройств, а на этапе обработки на заднем плане эти структуры преобразуются в физически пригодные для использования упакованные изделия.
Современные технологии упаковки делают этот раздел менее простым, чем раньше, поскольку такие технологии, как чиплетная упаковка, упаковка на уровне пластины, 2.5D-интеграция и 3D-стекирование, вводят все более сложные процессы обработки после традиционного изготовления пластин.
Технологический процесс производства полупроводников вкратце
Технологический процесс производства полупроводников начинается с подготовки высокочистого материала и пластин, продолжается через многократные этапы изготовления устройств и заканчивается тестированием пластин, нарезкой, упаковкой и окончательной электрической проверкой.
Практическая блок-схема технологического процесса производства полупроводников выглядит следующим образом:
| Этап | Основной процесс | Цель |
| 1 | Очистка кремния | Производство полупроводникового материала |
| 2 | Рост кристаллов | Формирование монокристаллического слитка |
| 3 | Нарезка и полировка вафель | Создание плоской подложки для кремниевой пластины |
| 4 | Окисление / осаждение | Создание функциональных тонких пленок |
| 5 | фотолитография | Схемы цепей передачи |
| 6 | Этчинг | Удалить выбранный материал |
| 7 | легирование | Создание контролируемых электрических областей |
| 8 | CMP | Восстановить плоскую поверхность |
| 9 | Металлизация | Создание электрических соединений |
| 10 | Тестирование пластин | Идентификация функциональных штампов |
| 11 | Игра в кости | Отдельные индивидуальные штампы |
| 12 | Упаковка | Защитите и соедините кристалл. |
| 13 | Окончательное тестирование | Проверьте производительность и надежность. |
Фактический технологический процесс изготовления кремниевых пластин гораздо более повторяющийся, чем показано в этой таблице. Литография, осаждение, травление, очистка, легирование и планаризация могут повторяться на многих слоях, прежде чем будет получена готовая схема.
Каковы основные этапы производства полупроводников?
Основные этапы производства полупроводников включают очистку материалов, выращивание кристаллов, подготовку пластин, формирование тонких пленок, фотолитографию, травление, легирование, планаризацию, металлизацию, тестирование пластин, нарезку, упаковку и окончательное тестирование.
Точная последовательность зависит от архитектуры устройства и технологии производства полупроводников. Логические процессоры, память, силовые полупроводники, MEMS, аналоговые интегральные схемы и составные полупроводниковые устройства не используют одинаковые технологические процессы.
Шаг 1: Очистка кремния и выращивание кристаллов
Очистка кремния и выращивание кристаллов позволяют получить высокочистый кристаллический материал, из которого изготавливаются кремниевые пластины.
Кремний очищают, плавят и превращают в монокристаллический слиток. Метод Чохральского использует затравочный кристалл, который вращают и постепенно извлекают из расплавленного кремния для создания контролируемой кристаллической структуры.
Качество кристаллов имеет решающее значение, поскольку дефекты, возникшие на этом этапе, могут сохраняться в процессе последующей обработки и снижать выход годных изделий.
Шаг 2: Нарезка и полировка вафель
Нарезка и полировка пластин превращают цилиндрический полупроводниковый слиток в тонкие плоские подложки с чрезвычайно гладкой поверхностью.
Точная распиловка разделяет слиток на пластины. Последующая шлифовка, притирка, полировка, очистка и контроль обеспечивают плоскую поверхность, необходимую для литографии и многослойной обработки.
Секисуи отмечает, что недостаточная гладкость подложки может помешать последующим операциям литографии и травления поддерживать требуемую точность.
Шаг 3: Окисление и осаждение тонкой пленки
Окисление и осаждение тонких пленок создают на подложке изолирующие, проводящие, защитные или функциональные слои.
Термическое окисление позволяет получать диоксид кремния непосредственно на кремнии. Другие материалы осаждаются с помощью таких процессов, как:
- CVD — химическое осаждение из паровой фазы
- PVD — Физическое осаждение из паровой фазы
- ALD — атомно-слоевое осаждение
Эти методы позволяют производителям создавать чрезвычайно тонкие пленки из металлов, оксидов, нитридов и других материалов, необходимых для современных полупроводниковых структур.
Шаг 4: Фотолитография и перенос рисунка
Фотолитография переносит рисунок схемы на выбранные участки пластины, благодаря чему последующая обработка происходит только там, где это необходимо.
В упрощенном процессе фотолитографии при изготовлении интегральных схем на подложку наносится фоторезист, маска или фотошаблон определяют желаемый рисунок, свет экспонирует резист, а затем резист проявляется, оставляя сформированные области.
Литография повторяется на многих этапах, поскольку для каждого слоя устройства требуются разные геометрические узоры.
Шаг 5: травление
Травление при изготовлении интегральных схем избирательно удаляет материал из областей, определенных в процессе литографии.
Две основные категории:
| Метод травления | Принцип | Основная характеристика |
| Мокрое травление | Химические жидкости удаляют материал. | Быстрое, но способное к боковому травлению |
| Сухое травление | Плазма/реактивные газы удаляют материал. | Лучший контроль направления |
| РИТ | Реактивная плазма + ионная бомбардировка | Высокая точность и анизотропия |
В современных полупроводниковых структурах все чаще используется контролируемое сухое травление, поскольку узкие элементы с высоким соотношением сторон требуют точных вертикальных профилей. Компания Renesas выделяет реактивное ионное травление и плазменное травление как важные методы для создания все более сложных устройств.
Шаг 6: Легирование и ионная имплантация
Легирование изменяет электрические свойства отдельных полупроводниковых областей путем введения точно контролируемого количества атомов примесей.
Бор обычно ассоциируется с кремнием P-типа, в то время как фосфор и другие донорные легирующие примеси могут образовывать области N-типа. Ионная имплантация ускоряет ионы легирующей примеси по направлению к подложке, что позволяет контролировать концентрацию и глубину проникновения.
Это один из ключевых ответов на вопрос о том, как изготавливаются транзисторы для процессоров: микроскопические области транзисторов создаются путем многократного комбинирования структурированных элементов, легирования, осаждения, травления, формирования диэлектрика и изготовления межсоединений.
Шаг 7: Химико-механическая полировка
Химико-механическая полировка (ХМП) выравнивает подложку после того, как слои и структуры создают вариации высоты поверхности.
Технология CMP сочетает контролируемое химическое воздействие с механической полировкой. Плоская поверхность необходима, поскольку последующие этапы литографии требуют стабильной фокусировки и правильного размещения рисунка.
Компания Fuji Electric применяет химико-механическую полировку (CMP) после нескольких циклов формирования рисунка и осаждения для поддержания однородности пластины.
Шаг 8: Металлизация и формирование межсоединений
Металлизация создает проводящие пути, которые обеспечивают электрическое соединение транзисторов и других элементов схемы на кристалле.
Современные микросхемы требуют многоуровневых межсоединений, разделенных диэлектрическими слоями. Эти сети передают сигналы, тактовую информацию, питание и заземление по всей схеме.
Секисуи сравнивает металлические межсоединения с дорожной сетью, которая соединяет многочисленные отдельные полупроводниковые структуры в целостную функционирующую схему.
Шаг 9: Тестирование пластин и сортировка кристаллов
Тестирование кремниевых пластин позволяет выявить функциональные и дефектные кристаллы до того, как будут затрачены ресурсы на их упаковку.
Электрические зонды контактируют с тестовыми структурами или площадками на отдельных кристаллах. В зависимости от продукта, кристаллы могут быть просто классифицированы как прошедшие/не прошедшие проверку или разделены на категории по показателям производительности.
Компания Tensoft отмечает, что операции сортировки полупроводниковых компонентов позволяют получать продукцию нескольких сортов из одной обработанной пластины, что делает выход годной продукции и происхождение продукта важными производственными переменными.
Шаг 10: Нарезка кубиками, упаковка и окончательное тестирование.
Разделение на кристаллы, упаковка и окончательное тестирование позволяют отделить пригодные для использования кристаллы, защитить их, обеспечить внешние электрические соединения и подтвердить работоспособность готового устройства.
Для нарезки кремниевых пластин можно использовать прецизионные пилы или лазерные процессы для разделения отдельных кристаллов. Затем кристаллы могут быть прикреплены к подложкам и соединены с помощью проволочного монтажа, флип-чипа или других технологий упаковки.
Заключительные испытания позволяют проверить электрические характеристики, частоту, энергопотребление, тепловые свойства, надежность и другие параметры, специфичные для данного изделия.
Как работает фотолитография в производстве полупроводников?
Фотолитография работает следующим образом: на пластину наносится светочувствительный фоторезист, выбранные области экспонируются через трафаретную маску или оптическую систему, проявляется резист, а полученный рисунок используется для управления последующими операциями травления, имплантации или осаждения.
Фоторезистивное покрытие
Нанесение фоторезистивного покрытия представляет собой тонкий, контролируемый слой светочувствительного материала на подложку.
Равномерная толщина имеет значение, поскольку ее вариации могут влиять на экспозицию и окончательные размеры рисунка. После нанесения покрытия для стабилизации пленки перед экспозицией могут использоваться термические методы.
Выравнивание маски и экспозиция
Выравнивание маски и экспозиция позволяют расположить желаемый рисунок схемы над соответствующими элементами пластины и использовать контролируемое излучение для изменения фоторезиста.
Точность совмещения слоев становится все более важной по мере накопления множества структурированных слоев. Ошибки между слоями могут препятствовать правильной работе транзисторов или межсоединений.
Разработка шаблона
Процесс формирования рисунка избирательно удаляет растворимые участки экспонированного или неэкспонированного фоторезиста в зависимости от того, используется ли позитивная или негативная химия резиста.
Оставшийся резист служит временной защитной маской для следующей производственной операции.
Перенос рисунка на подложку
Технология переноса рисунка преобразует геометрию резиста в физические или электрические структуры на подложке.
В зависимости от процесса, открытые участки могут быть подвергнуты травлению, имплантации, осаждению, окислению или иным модификациям.
Компания Renesas определяет передовые технологии переноса рисунка, включая EUV-литографию и многослойное формирование рисунка, как ключевой фактор, позволяющий создавать все более мелкие и сложные элементы микросхем.
Как взаимодействуют процессы осаждения, травления и легирования?
Осаждение, травление и легирование работают вместе, добавляя материал, избирательно удаляя материал и изменяя электрические свойства в точно определенных областях пластины. Повторение этих трех функций с помощью литографии позволяет создавать микроскопические устройства слой за слоем.
Эти процессы дополняют друг друга, а не взаимозаменяемы:
| Разработка | Что оно делает | Результат |
| отложение | Добавляет тонкий слой материала. | Пленки, диэлектрики, проводники |
| литография | Определяет местоположение шаблона | Технологическая маска |
| Этчинг | Удаляет выбранный материал | Физическая геометрия |
| легирование | Изменяет электрические характеристики | P-тип/N-тип регионов |
| CMP | Сглаживает поверхность | Новая, готовая к технологическому процессу плоскость |
Осаждение тонкой пленки
Метод осаждения тонких пленок позволяет наносить на подложку контролируемые слои материала с использованием таких технологий, как CVD, PVD или ALD.
Различные технологии осаждения выбираются в зависимости от толщины, конформности, химического состава материала, температурных ограничений и архитектуры устройства. Технология ALD особенно ценна там, где требуются чрезвычайно контролируемые, конформные пленки.
Травление влажным и сухим способом
Влажное и сухое травление удаляют нежелательный материал после того, как литография определяет области, которые должны остаться или быть удалены.
Влажное травление может быть экономичным и избирательным, в то время как плазменное сухое травление обеспечивает больший контроль направления для очень мелких элементов.
Выбор зависит от системы материалов, геометрии, избирательности, критического размера и допустимого повреждения поверхности.
Диффузия и ионная имплантация
Диффузия и ионная имплантация позволяют вводить легирующие примеси, изменяющие проводимость полупроводников.
Диффузия основана на высокотемпературном перемещении атомов в полупроводник, тогда как ионная имплантация ускоряет заряженные частицы легирующей примеси по направлению к подложке.
Современные технологии изготовления устройств, как правило, требуют жесткого контроля дозы легирующей примеси, глубины проникновения, активации и латерального распределения.
Повторение процесса для построения нескольких слоев
Многократное осаждение, формирование рисунка, травление, легирование и планаризация позволяют создать множество активных и межсоединительных слоев полупроводникового устройства.
Компания Fuji Electric отмечает, что современные микросхемы могут содержать десятки слоев, а компания Sekisui объясняет, что основные этапы обработки кремниевых пластин могут повторяться десятки или даже более ста раз в процессе изготовления.
Что такое металлизация в производстве полупроводников?
Металлизация в полупроводниковом производстве — это процесс формирования проводящих металлических структур, которые соединяют транзисторы и другие элементы устройств в функциональные электрические цепи.
Без металлизации отдельные транзисторные структуры существовали бы, но не могли бы эффективно обмениваться сигналами, энергией или данными внутри микросхемы.
Формирование металлических межсоединений
Формирование металлических межсоединений создает проводящие линии и переходные отверстия на поверхности или внутри структуры кремниевой пластины.
Современные технологии изготовления межсоединений обычно включают в себя комбинации осаждения, формирования рисунка, травления, барьерных слоев, заполнения и химико-механической полировки.
Многоуровневые межсоединения могут располагаться вертикально друг над другом для соединения все более сложных схем.
Соединение транзисторов и слоев схемы
Металлизация соединяет отдельные транзисторы в логические элементы, ячейки памяти, сигнальные тракты, силовые сети и полные функциональные схемы.
Нижние слои межсоединений обычно обрабатывают локальные соединения, в то время как верхние слои могут распределять сигналы и питание по более крупным областям микросхемы.
Почему сопротивление межсоединений имеет значение
Сопротивление межсоединений имеет значение, поскольку проводящие пути потребляют энергию и вызывают задержку при прохождении электрических сигналов через микросхему.
По мере уменьшения размеров конструкций сопротивление, емкость, плотность тока, электромиграция и тепловыделение могут становиться все более важными конструктивными ограничениями.
Таким образом, металлизация является одновременно и производственным процессом, и важной составляющей электрических характеристик полупроводников.
Почему упаковка и тестирование полупроводников важны?
Упаковка и тестирование полупроводниковых компонентов имеют важное значение, поскольку изготовленный кристалл должен быть механически защищен, электрически соединен, иметь систему терморегулирования и быть проверен, прежде чем он сможет надежно работать в реальном электронном изделии.
Компания Sekisui выделяет три основные функции упаковки: механическая защита, терморегулирование и электрическое соединение. Затем в ходе тестирования определяется, соответствует ли устройство требуемым функциональным и качественным критериям.
Тестирование кремниевых пластин и электрическая сортировка кремниевых пластин
Электронные тесты сортировки пластин проводят проверку кристаллов перед разделением, чтобы определить, какие устройства соответствуют техническим требованиям.
Зондовое оборудование обеспечивает контролируемый электрический контакт с контактными площадками кремниевой пластины и позволяет оценивать функциональные или рабочие параметры.
Раннее выявление позволяет снизить затраты на упаковку дефектных штампов.
Нарезка полупроводников
Технология нарезки полупроводниковых пластин разделяет обработанную пластину на отдельные кристаллы.
Для прецизионной резки широко используются прецизионные пилы и лазерные технологии. Необходимо контролировать ширину пропила, сколы по кромкам, загрязнения, напряжения и прочность кристалла, поскольку резка происходит после того, как к пластине уже добавлена значительная часть стоимости.
Упаковка и сборка микросхем
Упаковка и сборка микросхемы позволяют закрепить кристалл в корпусе или подложке и установить электрические соединения с внешней системой.
Распространенные технологии включают в себя:
- Склеивание проводов
- Флип-чип
- Шариковые матричные решетки
- Упаковка на уровне пластин
- Упаковка с веерным расположением
- 5D-интеграция
- 3D укладка
- Система-в-пакет
Компания Renesas выделяет 3D-упаковку, разветвленную упаковку и SiP как подходы к повышению плотности интеграции и улучшению функциональности системы.
Полупроводниковые упаковочные материалы
Материалы для упаковки полупроводниковых кристаллов защищают кристалл, обеспечивая при этом электрические соединения и теплоотвод.
К типичным категориям материалов относятся подложки, герметики, компаунды для заполнения зазоров, клеи, материалы для крепления кристалла, припой, медные межсоединения, теплопроводящие материалы и изоляционные пленки.
Выбор оптимальной системы материалов зависит от рабочей температуры, размеров корпуса, коэффициента теплового расширения, электрических характеристик, чувствительности к влаге и целевых показателей надежности.
Окончательные электрические и надежные испытания
Заключительные испытания подтверждают соответствие упакованных устройств электрическим характеристикам и требованиям надежности перед отгрузкой.
В тестирование могут входить следующие этапы:
- Функциональный тест
- Параметрический тест
- Потребляемая мощность
- частота
- ток утечки
- Цикл температуры
- Записать в
- Механическая надежность
- Проверка упаковки
В склад готовой продукции поступают только устройства, отвечающие требуемым критериям приемки.
Какое оборудование используется в производстве полупроводников?
В производстве полупроводников используются литографические системы, камеры осаждения, травильные установки, установки для ионной имплантации, оборудование для химико-механической полировки (CMP), системы очистки, метрологическое оборудование, устройства для работы с пластинами, тестеры, упаковочные машины, вакуумные системы и обширное автоматизированное вспомогательное оборудование.
Таким образом, современный завод — это не одна производственная машина. Это взаимосвязанная производственная среда, включающая множество узкоспециализированных семейств оборудования.
Литографическое оборудование
Литографическое оборудование переносит строго контролируемые геометрические узоры на фоторезист кремниевой пластины.
В состав систем могут входить направляющие для нанесения покрытия/проявки, сканеры, системы выравнивания, маски или фотошаблоны, оптические системы, предметные столики, системы контроля окружающей среды и измерительное оборудование.
Оборудование для осаждения
Оборудование для осаждения формирует тонкие пленки с помощью таких процессов, как CVD, PVD, ALD, эпитаксия и смежные технологии.
Различные камеры оптимизированы для конкретных материалов, толщины пленок, температур, химического состава газов и размеров пластин.
Оборудование для травления
Травильное оборудование избирательно удаляет полупроводниковые, диэлектрические или металлические слои.
В установках для влажного травления используется жидкая химия, тогда как в установках для сухого травления применяются реактивные газы и плазма для получения более направленных профилей элементов.
Оборудование для ионной имплантации и допинга
Оборудование для ионной имплантации вводит контролируемые легирующие примеси в заранее определенные области кремниевой пластины.
Оборудование контролирует такие параметры, как тип ионов, энергия, доза, распределение пучка и положение пластины.
Оборудование для химико-механической полировки и полировки пластин.
Оборудование для химико-механической полировки (CMP) сочетает в себе химическую суспензию и механическое воздействие для создания идеально ровной поверхности пластины.
Плоскостность имеет решающее значение, поскольку последующие процессы фотолитографии должны обеспечивать фокусировку на все более сложных многослойных структурах.
Метрологическое и контрольное оборудование
Метрологическое и контрольное оборудование позволяет измерять размеры, толщину пленки, дефекты, совмещение слоев, состояние поверхности, электрические характеристики и другие важные параметры производства.
Данные, полученные с помощью этих инструментов, используются для управления технологическими процессами, анализа первопричин, повышения производительности и корректировки оборудования.
Оборудование для тестирования и упаковки кремниевых пластин
Оборудование для тестирования и упаковки кремниевых пластин выполняет такие операции, как зондирование, сортировка кристаллов, нарезка, установка кристаллов, склеивание, инкапсуляция, контроль качества и окончательное электрическое тестирование.
Автоматизация на этапе производства должна обеспечивать как высокую производительность, так и отслеживаемость, поскольку одна пластина может использоваться для производства множества отдельных кристаллов с различными характеристиками.
Как производятся компоненты полупроводникового оборудования?
Компоненты полупроводникового оборудования изготавливаются с помощью станков с ЧПУ, обработки листового металла, прецизионной шлифовки, электроэрозионной обработки, сварки, аддитивного производства, финишной обработки поверхности и прецизионной очистки в соответствии с требованиями к геометрии, материалу, чистоте, вакууму, тепловым характеристикам и точности каждого компонента.
Эти процессы используются для производства механического оборудования, используемого при обработке полупроводниковых пластин, но они не заменяют фотолитографию, травление, имплантацию или осаждение на уровне пластин.
Обработка CNC
Обработка на станках с ЧПУ — один из основных методов производства прецизионных компонентов полупроводникового оборудования, таких как камеры, зажимы, основания, охлаждающие пластины, роботизированные интерфейсы, корпуса, крепления для датчиков, коллекторы и позиционирующие компоненты.
В зависимости от геометрии, на станках с ЧПУ могут комбинироваться фрезерование, токарная обработка, сверление, расточка, нарезание резьбы и 5-осевая обработка . В качестве материалов обычно используются алюминий, нержавеющая сталь, медь, PEEK, PTFE и другие конструкционные материалы.
В случае полупроводникового оборудования чертежи могут требовать контроля не только допусков по размерам, но и следующих параметров:
- Плоскость
- параллелизм
- Шероховатость поверхности
- Состояние заусенцев
- Уплотнительные поверхности
- Генерация частиц
- Требования к очистке
- Обработка поверхности
- Совместимость с вакуумом
Изготовление изделий из листового металла
Изготовление изделий из листового металла применяется для корпусов машин, кронштейнов, панелей, защитных кожухов, шкафов, лотков, крышек и крупных тонкостенных конструкций оборудования.
Лазерная резка, штамповка, гибка, формовка, крепление и установка крепежных элементов позволяют производить эти компоненты с гораздо меньшими отходами материала, чем при механической обработке большого корпуса из цельной заготовки.
Точность шлифования
Прецизионная шлифовка используется для обработки опорных поверхностей, оснований станков, направляющих, прецизионных пластин, закаленных компонентов и деталей, требующих высокой плоскостности или параллельности.
Распространенная стратегия производства заключается в обработке большей части геометрических форм на станках с ЧПУ, оставляя контролируемый припуск на критически важных поверхностях для окончательной шлифовки.
EDM
Электроэрозионная обработка (ЭЭО) используется для обработки электропроводящих компонентов, содержащих узкие пазы, глубокие полости, сложную внутреннюю геометрию, упрочненные материалы или элементы, недоступные для обычных режущих инструментов.
Электроэрозионная обработка проволокой особенно подходит для сквозных профилей и прецизионных пазов, в то время как электроэрозионная обработка погружным электродом позволяет создавать полости сложной формы.
Сварка И Изготовление
Сварка и изготовление металлоконструкций применяются для создания крупных машинных конструкций, узлов из нержавеющей стали, опор, рам, а также оборудования, используемого в системах с жидкостями или вакуумом.
Контроль деформаций важен, поскольку сварочный нагрев может влиять на соосность, плоскостность или герметичность сварных соединений. Поэтому для ответственных сварных узлов может потребоваться послесварочная механическая обработка и контроль качества.
Производство добавок
Аддитивное производство используется для создания прототипов, легких конструкций, сложных внутренних каналов, оснастки для разработок и мелкосерийного производства деталей полупроводникового оборудования.
С его помощью можно создавать геометрические формы, которые трудно обработать традиционными методами, но для получения прецизионных поверхностей обычно требуется дополнительная обработка на станках с ЧПУ или шлифовка.
Отделка поверхности и прецизионная очистка
Обработка поверхности и прецизионная очистка подготавливают компоненты оборудования к воздействию коррозии, износа, работе в вакууме, контролю загрязнений или выполнению эстетических задач.
Возможные технологические процессы включают анодирование, химическое никелирование, пассивацию, полировку, электрополировку, пескоструйную обработку, ультразвуковую очистку, очистку деионизированной водой и контролируемую упаковку.
В чувствительных полупроводниковых средах остаточные масла, частицы, заусенцы, полировальные пасты и химические чистящие средства могут иметь такое же значение, как и номинальный допуск детали.
Что такое фабрика по производству полупроводников?
Полупроводниковый завод — это специализированное производственное предприятие, включающее чистые помещения, оборудование для обработки пластин, инженерные сети, системы автоматизации, химические системы, системы подачи газа, вакуумную инфраструктуру, метрологическое оборудование и системы контроля окружающей среды, необходимые для производства полупроводниковых устройств.
Производственные мощности часто описываются размером пластин, технологическим процессом, семейством устройств и производственными возможностями. Компания Bosch отмечает, что распространенные диаметры пластин включают 200 мм и 300 мм, и что предприятия могут специализироваться на различных технологических узлах или категориях устройств.
Чистые помещения и контроль загрязнений
В чистых помещениях контролируется содержание частиц в воздухе и условия окружающей среды, которые могут повредить микроскопические полупроводниковые структуры.
Меры по контролю загрязнения могут включать в себя:
- Фильтрация HEPA или ULPA
- Контролируемый поток воздуха
- Контроль температуры
- Контроль влажности
- Протоколы ношения спецодежды
- Химический менеджмент
- Материальные ограничения
- Мониторинг частиц
Допустимый уровень загрязнения зависит от процесса и технологии.
Технологическое оборудование и автоматизация
Технологическое оборудование и автоматизация перемещают кремниевые пластины в соответствии с тщательно определенными технологическими схемами изготовления, сводя к минимуму манипуляции и загрязнение.
Автоматизированные системы обработки материалов, роботы для производства пластин, загрузочные порты, технологические камеры, датчики, платформы MES и системы контроля качества координируют производство на множестве различных этапов.
Системы водоснабжения, газоснабжения, химической обработки и вакуумные системы
Системы водоснабжения, газоснабжения, химической обработки и вакуума обеспечивают контролируемую технологическую среду, необходимую для полупроводникового оборудования.
В производстве металлоконструкций используются сверхчистая вода, газы высокой чистоты, специальные химикаты, вакуумные насосы, системы обработки выхлопных газов, контроль температуры и сложные системы безопасности.
Эти вспомогательные системы могут быть столь же важны для стабильности процесса, как и само оборудование для обработки пластин.
Что делает полупроводниковый завод передовым?
Современный завод по производству полупроводников сочетает в себе передовые технологические возможности, высококачественное оборудование, сложную автоматизацию, стабильный выход годной продукции, контроль загрязнений и возможность экономичного производства необходимых устройств.
Компания Bosch отмечает, что «современный уровень развития» зависит от конкретного применения, а не определяется одним универсальным технологическим процессом. Предприятия, занимающиеся разработкой передовых логических микросхем, могут ориентироваться на очень малые технологические узлы, в то время как предприятия, производящие силовые полупроводники, MEMS-устройства, аналоговые микросхемы или полупроводники на основе сложных соединений, имеют другие технические приоритеты.
Почему производство полупроводников настолько сложное?
Производство полупроводников — сложный процесс, поскольку необходимо создавать миллиарды микроскопических структур на протяжении многократно повторяющихся технологических слоев, соблюдая при этом чрезвычайно жесткие требования к размерам, электрическим характеристикам, химическому составу, чистоте и выходу годных изделий.
Ошибка в процессе производства, возникшая ближе к концу, может свести на нет ценность, накопленную на многих предыдущих этапах.
К основным причинам можно отнести:
- Критические размеры нанометрового масштаба
- Сотни производственных предприятий
- Повторяющиеся циклы литографии и переноса рисунка
- Жесткие требования к наложению слоев
- Чрезвычайно высокая чувствительность к загрязнениям
- Сложные взаимодействия материалов
- Дорогое оборудование
- Длительное время цикла
- Сложное обнаружение дефектов
- Зависимость от урожайности
- Расширенная прослеживаемость процесса
Компания Bosch указывает на 200–1,000 и более отдельных технологических этапов в производстве полупроводников, в то время как Renesas отмечает, что изготовление кремниевых пластин может потребовать сотен операций и может занять примерно 16–18 недель для некоторых процессов.
Какие основные препятствия существуют в производстве полупроводников?
Основными узкими местами в производстве полупроводников являются доступность литографических технологий, производственные мощности, потери выхода годной продукции, дефекты пластин, сложность процесса, возможности по созданию современных корпусов, длительные циклы квалификации, поставки материалов и мощности чистых помещений.
Узкое место не обязательно возникает в процессе с самым длительным номинальным циклом. Специализированный инструмент с высокой степенью использования может ограничивать работу всей производственной линии, даже если у другого оборудования есть резервные мощности.
Литография и пределы переноса рисунка
Литография может стать узким местом, поскольку современное оборудование для формирования рисунка технически сложное, дорогостоящее и требуется многократно в процессе изготовления пластин.
Более мелкие элементы также требуют более точного совмещения, точности маскирования, поведения резиста и контроля технологического процесса.
Производственная мощность оборудования и производительность
Производственная мощность оборудования ограничивает выпуск продукции, когда необходимое семейство инструментов не может обрабатывать пластины достаточно быстро, чтобы удовлетворить спрос.
Компания Bosch особо выделяет такие распространенные производственные ограничения, как доступность литографических возможностей, вместимость чистых помещений, специализированное оборудование и оптимизация выхода годной продукции.
Потеря выхода годной продукции и дефекты пластин
Потери выхода годной продукции уменьшают количество пригодных для использования кристаллов, производимых с каждой кремниевой пластины.
Частицы, вариации технологического процесса, дефекты кристаллов, ошибки литографии, дефекты травления, загрязнения, электрические неисправности и повреждения упаковки — все это может снизить выход годной продукции.
Поскольку производство полупроводников создает добавленную стоимость в течение многих недель, потери выхода годной продукции на поздних стадиях могут быть особенно дорогостоящими.
Расширенные возможности упаковки
Передовые технологии упаковки могут стать ограничивающим фактором в производстве, поскольку все больше систем полагаются на чиплетную архитектуру, 2.5D-структуры, 3D-интеграцию, высокоплотные межсоединения и высокоскоростную память.
Упаковка все чаще становится не просто защитным заключительным этапом, а технологией, повышающей ее эффективность.
Ограничения, связанные с материалами и цепочкой поставок
Ограничения в материалах и поставках могут повлиять на производство, поскольку изготовление полупроводников зависит от специализированных пластин, газов, фоторезистов, масок, химикатов, подложек, компонентов оборудования и упаковочных материалов.
Для многих из этих ресурсов требуются длительные периоды квалификации, поэтому замену не всегда можно осуществить быстро.
Каковы текущие тенденции и проблемы в полупроводниковом производстве?
Современные тенденции в полупроводниковом производстве включают в себя уменьшение размеров и усложнение структур устройств, усовершенствованную упаковку, использование широкозонных материалов, повышение уровня автоматизации, улучшение аналитики выхода годной продукции, растущий спрос, обусловленный применением искусственного интеллекта, и постоянное расширение производственных мощностей. Основными проблемами остаются стоимость, сложность, доступность оборудования, энергопотребление, риски поставок и выход годной продукции.
Компания Renesas выделяет такие технологические области, как перенос рисунка, легирование, осаждение, травление и упаковка, которые постоянно совершенствуются с технической точки зрения.
Меньшие технологические узлы и более высокая плотность размещения устройств.
Уменьшение технологических параметров позволяет увеличить количество и плотность электронных функций, которые можно интегрировать в современные микросхемы.
Однако дальнейшее масштабирование также увеличивает сложность литографии, проблемы с межсоединениями, плотность тепловых потоков, требования к контролю технологического процесса и капитальные затраты.
Усовершенствованная полупроводниковая упаковка
Передовые технологии упаковки полупроводников все чаще используются для повышения производительности систем без опоры исключительно на масштабирование монолитных транзисторов.
Технологии 3D-упаковки, разветвления, SiP, чиплетной упаковки и высокоплотных межсоединений позволяют объединять несколько кристаллов или функций в одном интегрированном корпусе.
Карбид кремния и широкозонные полупроводники
Технологии на основе карбида кремния и других широкозонных полупроводников находят все большее применение в областях, где важны высокое напряжение, эффективность переключения, температура и плотность мощности.
Важными областями применения являются инверторы для электромобилей, зарядное оборудование, системы возобновляемой энергии, промышленные приводы и источники питания.
Рост затрат на оборудование и производство.
Затраты на производство и оборудование продолжают расти, поскольку передовые производственные процессы требуют все более специализированных инструментов, производственных площадок, коммунальных услуг, автоматизации, метрологии и интеграции процессов.
Компания Fuji Electric отмечает, что для производства полупроводниковых микросхем требуются инвестиции, исчисляющиеся миллиардами долларов, и что выход годной продукции напрямую влияет на экономику производства.
Повышение урожайности и контроль производственных процессов.
Повышение выхода годной продукции остается первостепенной задачей, поскольку даже технически успешный технологический процесс может оказаться экономически невыгодным, если слишком много кристаллов выйдет из строя.
Таким образом, передовые методы метрологии, автоматизированный контроль качества, статистический контроль технологических процессов, мониторинг оборудования, классификация дефектов и анализ производственных данных являются неотъемлемой частью технологии производства полупроводников.
Расширение глобальных производственных мощностей
Глобальные мощности по производству полупроводников расширяются по мере роста спроса на микросхемы и стремления правительств к повышению устойчивости цепочек поставок.
По данным SIA, мировые продажи полупроводников достигли 795.6 млрд долларов в 2025 году, а в 2026 году прогнозируется увеличение рынка до более чем 1.5 трлн долларов, в значительной степени благодаря спросу на искусственный интеллект и передовые вычислительные технологии.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Что такое умирание в полупроводниковом производстве?
«Рисование» — это нестандартный термин в полупроводниковом производстве; обычно используется термин «нарезка», который означает разделение готовой пластины на отдельные кристаллы или чипы. После тестирования на уровне пластины прецизионные алмазные пилы или лазерная обработка выполняют резку вдоль заданных линий между кристаллами. Качество нарезки влияет на образование сколов по краям, образование частиц, прочность кристаллов и выход годной продукции при последующей упаковке. Компания Fuji Electric определяет нарезку пластины как этап, на котором обработанная пластина разделяется на отдельные полупроводниковые чипы перед упаковкой.
Что такое металлизация в производстве полупроводников?
Металлизация в полупроводниковом производстве создает проводящие межсоединения, которые электрически соединяют транзисторы, контакты, силовые сети и слои схемы. Проводящие пленки наносятся и формируются для образования линий и вертикальных соединений, часто на нескольких уровнях межсоединений. Сопротивление, емкость, электромиграция, толщина пленки, адгезия и качество интерфейса напрямую влияют на скорость и надежность микросхемы. Секисуи описывает металлическую проводку как сеть, которая соединяет большое количество транзисторов, чтобы сигналы могли проходить через готовую схему.
Какая страна является крупнейшим производителем полупроводников?
По установленным мощностям по производству полупроводниковых пластин Китай занимал первое место в отраслевом отчете SIA за 2025 год, на его долю приходилось около 27% мировых мощностей в 2024 году, за ним следовали Тайвань с 18%, Южная Корея с 16% и Япония с 15%. Однако лидерство меняется в зависимости от показателя: Тайвань остается особенно сильным в сфере передового литейного производства, в то время как Южная Корея доминирует в производстве памяти, а США лидируют по продажам и проектированию полупроводниковых компаний. Поэтому показатель всегда должен быть указан.
Заключение
Производство полупроводников превращает высокочистые полупроводниковые материалы в функциональные электронные устройства посредством исключительно контролируемой последовательности процессов: выращивания кристаллов, подготовки пластин, фотолитографии, осаждения, травления, легирования, химико-механической полировки (CMP), металлизации, тестирования, нарезки, упаковки и окончательной проверки. Для понимания всего процесса производства полупроводников необходимо рассматривать как этап изготовления пластин, так и этап упаковки, учитывая при этом точность оборудования, контроль загрязнений, выход годной продукции, материалы, автоматизацию и все более сложные передовые технологии упаковки.
В компании TiRapid мы предоставляем услуги высокоточной обработки на станках с ЧПУ и изготовления компонентов на заказ для полупроводникового оборудования, автоматизации, электроники и других высокоточных систем. Наши возможности включают фрезерование на станках с ЧПУ, токарную обработку на станках с ЧПУ, 5-осевую обработку на станках с ЧПУ, изготовление изделий из листового металла, электроэрозионную обработку, высокоточную чистовую обработку, обработку поверхности и контроль размеров для алюминия, нержавеющей стали, меди, конструкционных пластмасс и других компонентов, используемых в прототипировании и мелкосерийном производстве оборудования.
