Une explication complète du processus de fabrication des puces (1/2) : de la plaquette au packaging et aux tests

La fabrication de chaque produit semi-conducteur nécessite des centaines de processus, et l'ensemble du processus de fabrication est divisé en huit étapes :traitement des plaquettes - oxydation - photolithographie - gravure - dépôt de couches minces - interconnexion - essai - conditionnement.

Étape 1 :Traitement des plaquettes

Tous les processus de semi-conducteurs commencent par un grain de sable ! Car le silicium contenu dans le sable est la matière première nécessaire à la fabrication des wafers. Les plaquettes sont des tranches rondes découpées dans des cylindres monocristallins en silicium (Si) ou en arséniure de gallium (GaAs). Pour extraire des matériaux de silicium de haute pureté, il faut du sable de silice, un matériau spécial contenant jusqu'à 95 % de dioxyde de silicium, qui constitue également la principale matière première pour la fabrication des plaquettes. Le traitement des plaquettes est le processus de fabrication des plaquettes ci-dessus.

Coulée de lingots

Tout d'abord, le sable doit être chauffé pour séparer le monoxyde de carbone et le silicium qu'il contient, et le processus est répété jusqu'à ce que du silicium de qualité électronique (EG-Si) de très haute pureté soit obtenu. Le silicium de haute pureté fond en liquide puis se solidifie en une forme solide monocristalline, appelée « lingot », qui constitue la première étape de la fabrication des semi-conducteurs.

La précision de fabrication des lingots de silicium (piliers de silicium) est très élevée, atteignant le niveau nanométrique, et la méthode de fabrication largement utilisée est la méthode Czochralski.

Coupe de lingots

Une fois l’étape précédente réalisée, il faut couper les deux extrémités du lingot avec une scie diamantée puis le découper en fines tranches d’une certaine épaisseur. Le diamètre de la tranche de lingot détermine la taille de la plaquette. Les tranches plus grandes et plus fines peuvent être divisées en unités plus utilisables, ce qui contribue à réduire les coûts de production. Après avoir découpé le lingot de silicium, il est nécessaire d'ajouter des marques de « zone plate » ou de « bosse » sur les tranches pour faciliter le réglage de la direction de traitement comme norme dans les étapes ultérieures.

Polissage de la surface des plaquettes

Les tranches obtenues grâce au processus de découpe ci-dessus sont appelées « plaquettes nues », c'est-à-dire « plaquettes brutes » non traitées. La surface de la plaquette nue est inégale et le motif du circuit ne peut pas être imprimé directement dessus. Par conséquent, il est nécessaire d'abord d'éliminer les défauts de surface par des processus de meulage et de gravure chimique, puis de polir pour former une surface lisse, puis d'éliminer les contaminants résiduels par nettoyage pour obtenir une plaquette finie avec une surface propre.

Étape 2 : Oxydation

Le rôle du processus d’oxydation est de former un film protecteur à la surface de la plaquette. Il protège la plaquette des impuretés chimiques, empêche le courant de fuite de pénétrer dans le circuit, empêche la diffusion lors de l'implantation ionique et empêche la plaquette de glisser lors de la gravure.

La première étape du processus d’oxydation consiste à éliminer les impuretés et les contaminants. Il nécessite quatre étapes pour éliminer les matières organiques, les impuretés métalliques et évaporer l'eau résiduelle. Après le nettoyage, la tranche peut être placée dans un environnement à haute température de 800 à 1 200 degrés Celsius, et une couche de dioxyde de silicium (c'est-à-dire « oxyde ») est formée par le flux d'oxygène ou de vapeur sur la surface de la tranche. L'oxygène diffuse à travers la couche d'oxyde et réagit avec le silicium pour former une couche d'oxyde d'épaisseur variable, et son épaisseur peut être mesurée une fois l'oxydation terminée.

Oxydation sèche et oxydation humide En fonction des différents oxydants présents dans la réaction d'oxydation, le processus d'oxydation thermique peut être divisé en oxydation sèche et oxydation humide. Le premier utilise de l’oxygène pur pour produire une couche de dioxyde de silicium, ce qui est lent mais la couche d’oxyde est fine et dense. Cette dernière nécessite à la fois de l’oxygène et de la vapeur d’eau hautement soluble, caractérisée par un taux de croissance rapide mais une couche protectrice relativement épaisse et de faible densité.

En plus de l'oxydant, d'autres variables affectent l'épaisseur de la couche de dioxyde de silicium. Premièrement, la structure de la plaquette, ses défauts de surface et sa concentration de dopage interne affecteront la vitesse de génération de la couche d’oxyde. De plus, plus la pression et la température générées par l’équipement d’oxydation sont élevées, plus la couche d’oxyde sera générée rapidement. Pendant le processus d'oxydation, il est également nécessaire d'utiliser une feuille factice en fonction de la position de la tranche dans l'unité pour protéger la tranche et réduire la différence de degré d'oxydation.

Étape 3 : Photolithographie

La photolithographie consiste à « imprimer » le motif du circuit sur la plaquette grâce à la lumière. Nous pouvons comprendre cela comme le dessin de la carte plane nécessaire à la fabrication des semi-conducteurs sur la surface de la tranche. Plus la finesse du motif du circuit est élevée, plus l'intégration de la puce finie est élevée, ce qui doit être réalisé grâce à une technologie de photolithographie avancée. Plus précisément, la photolithographie peut être divisée en trois étapes : le revêtement de la résine photosensible, l'exposition et le développement.

Revêtement

La première étape du dessin d’un circuit sur une plaquette consiste à appliquer la résine photosensible sur la couche d’oxyde. Le photoresist transforme la plaquette en « papier photo » en modifiant ses propriétés chimiques. Plus la couche de résine photosensible à la surface de la plaquette est fine, plus le revêtement est uniforme et plus le motif pouvant être imprimé est fin. Cette étape peut être réalisée par la méthode du « spincoating ». Selon la différence de réactivité à la lumière (ultraviolet), les photorésists peuvent être divisés en deux types : positifs et négatifs. Les premiers vont se décomposer et disparaître après exposition à la lumière, laissant le motif de la zone non exposée, tandis que les seconds vont polymériser après exposition à la lumière et faire apparaître le motif de la partie exposée.

Exposition

Une fois le film photorésistant recouvert sur la tranche, l'impression du circuit peut être complétée en contrôlant l'exposition à la lumière. Ce processus est appelé « exposition ». Nous pouvons faire passer sélectivement la lumière à travers l’équipement d’exposition. Lorsque la lumière traverse le masque contenant le motif de circuit, le circuit peut être imprimé sur la tranche recouverte du film photorésistant ci-dessous.

Pendant le processus d'exposition, plus le motif imprimé est fin, plus la puce finale peut accueillir de composants, ce qui contribue à améliorer l'efficacité de la production et à réduire le coût de chaque composant. Dans ce domaine, la nouvelle technologie qui retient actuellement beaucoup l’attention est la lithographie EUV. Lam Research Group a développé conjointement une nouvelle technologie de photorésine à film sec avec les partenaires stratégiques ASML et imec. Cette technologie peut considérablement améliorer la productivité et le rendement du processus d'exposition de lithographie EUV en améliorant la résolution (un facteur clé dans le réglage fin de la largeur du circuit).

Développement

L'étape après l'exposition consiste à pulvériser le révélateur sur la plaquette, le but est d'enlever la résine photosensible dans la zone non couverte du motif, afin que le motif du circuit imprimé puisse être révélé. Une fois le développement terminé, il doit être vérifié par divers équipements de mesure et microscopes optiques pour garantir la qualité du schéma de circuit.

Étape 4 : gravure

Une fois la photolithographie du schéma de circuit terminée sur la tranche, un processus de gravure est utilisé pour éliminer tout film d'oxyde en excès et ne laisser que le schéma de circuit du semi-conducteur. Pour ce faire, un liquide, un gaz ou un plasma est utilisé pour éliminer les pièces excédentaires sélectionnées. Il existe deux méthodes principales de gravure, selon les substances utilisées : la gravure humide utilisant une solution chimique spécifique pour réagir chimiquement pour éliminer le film d'oxyde, et la gravure sèche utilisant un gaz ou un plasma.

Gravure humide

La gravure humide utilisant des solutions chimiques pour éliminer les films d'oxyde présente les avantages d'un faible coût, d'une vitesse de gravure rapide et d'une productivité élevée. Cependant, la gravure humide est isotrope, c'est-à-dire que sa vitesse est la même dans toutes les directions. Cela fait que le masque (ou le film sensible) n'est pas complètement aligné avec le film d'oxyde gravé, ce qui rend difficile le traitement de schémas de circuit très fins.

Gravure à sec

La gravure sèche peut être divisée en trois types différents. La première est la gravure chimique, qui utilise des gaz de gravure (principalement du fluorure d'hydrogène). Comme la gravure humide, cette méthode est isotrope, ce qui signifie qu’elle ne convient pas à la gravure fine.

La deuxième méthode est la pulvérisation physique, qui utilise les ions présents dans le plasma pour impacter et éliminer la couche d'oxyde en excès. En tant que méthode de gravure anisotrope, la gravure par pulvérisation a des taux de gravure différents dans les directions horizontale et verticale, de sorte que sa finesse est également meilleure que la gravure chimique. Cependant, l’inconvénient de cette méthode est que la vitesse de gravure est lente car elle repose entièrement sur la réaction physique provoquée par la collision ionique.

La dernière troisième méthode est la gravure ionique réactive (RIE). RIE combine les deux premières méthodes, c'est-à-dire que tout en utilisant le plasma pour la gravure physique par ionisation, la gravure chimique est réalisée à l'aide de radicaux libres générés après l'activation du plasma. En plus de la vitesse de gravure dépassant les deux premières méthodes, RIE peut utiliser les caractéristiques anisotropes des ions pour réaliser une gravure de motifs de haute précision.

Aujourd'hui, la gravure sèche est largement utilisée pour améliorer le rendement des circuits semi-conducteurs fins. Le maintien de l'uniformité de la gravure sur toute la tranche et l'augmentation de la vitesse de gravure sont essentiels, et les équipements de gravure sèche les plus avancés d'aujourd'hui prennent en charge la production des puces logiques et mémoire les plus avancées avec des performances plus élevées.

VeTek Semiconductor est un fabricant chinois professionnel deRevêtement en carbure de tantale, Revêtement en carbure de silicium, Graphite spécial, Céramiques de carbure de siliciumetAutres céramiques semi-conductrices. VeTek Semiconductor s'engage à fournir des solutions avancées pour divers produits SiC Wafer destinés à l'industrie des semi-conducteurs.

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