Производство полупроводников: Процесс и технологии

Введение

Процедура изготовления полупроводников

Изготовление пластин – это процедура, состоящая из множества последовательно повторяющихся процессов, предназначенных для создания полных электрических или фотонных схем на полупроводниковых пластинах в процессе производства полупроводниковых приборов. Примеры включают в себя производство радиочастотных (RF) усилителей, светодиодов, оптических компонентов для компьютеров и микропроцессоров для вычислительной техники. Изготовление пластин используется для создания компонентов с необходимыми электрическими структурами. Производственные предприятия

Основной процесс начинается с проектирования схемы электроинженерами, определения ее функций, а также спецификации сигналов, входов/выходов и необходимых напряжений. Эти спецификации электрических схем вводятся в программное обеспечение для проектирования электрических схем, такое как SPICE, а затем импортируются в программы для разработки компоновки схем, аналогичные тем, что используются в системах автоматизированного проектирования (CAD). Это необходимо для определения слоев при производстве фотошаблонов. Разрешение схем быстро возрастает на каждом этапе проектирования, поскольку масштаб схем в начале процесса проектирования уже измеряется долями микрометра. Таким образом, каждый шаг увеличивает плотность схемы на единицу площади. Кремниевые пластины изначально чистые и не содержат структур. Схемы создаются слоями в чистых помещениях. Сначала на поверхность пластин наносятся фоторезистивные рисунки с использованием фотомаски в микрометровом разрешении. Затем пластины подвергаются воздействию ультрафиолетового излучения коротких волн, после чего неэкспонированные участки удаляются и очищаются. Горячие химические пары осаждаются на нужные области и подвергаются отжигу при высокой температуре, что обеспечивает проникновение паров в эти области. В некоторых случаях ионы, такие как O2+ или O+, имплантируются в заданном рисунке и на определенной глубине с использованием источников ионов, управляемых радиочастотным (RF) излучением. Эти этапы часто повторяются сотни раз, в зависимости от сложности требуемой схемы и ее соединений. Каждый год появляются новые процессы для выполнения каждого из этих этапов с более высоким разрешением и улучшенными методами, что приводит к постоянным изменениям в технологии изготовления пластин. Новые технологии обеспечивают более плотную упаковку миниатюрных поверхностных элементов, таких как транзисторы и микроэлектромеханические системы (MEMS). Эта повышенная плотность продолжает тенденцию, часто называемую законом Мура. Fab – это общепринятый термин для обозначения предприятия, где выполняются эти процессы. Часто fab принадлежит компании, которая продает чипы, например Intel, Texas Instruments или Freescale. Foundry (литейное производство) – это fab, на котором полупроводниковые чипы или пластины изготавливаются по заказу сторонних компаний, продающих чипы, например, fab, принадлежащие Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), United Microelectronics Corporation (UMC), GlobalFoundries и Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC). В 2013 году стоимость строительства fab нового поколения превышала 10 миллиардов долларов.

The main process begins with electrical engineers designing the circuit and defining its functions, and specifying the signals, inputs/outputs and voltages needed. These electrical circuit specifications are entered into electrical circuit design software, such as SPICE, and then imported into circuit layout programs, which are similar to ones used for computer aided design. This is necessary for the layers to be defined for photomask production. The resolution of the circuits increases rapidly with each step in design, as the scale of the circuits at the start of the design process is already being measured in fractions of micrometers. Each step thus increases circuit density for a given area. The silicon wafers start out blank and pure. The circuits are built in layers in clean rooms. First, photoresist patterns are photo masked in micrometer detail onto the wafers' surface. The wafers are then exposed to short wave ultraviolet light and the unexposed areas are thus etched away and cleaned. Hot chemical vapors are deposited on to the desired zones and baked in high heat, which permeate the vapors into the desired zones. In some cases, ions, such as O2+ or O+, are implanted in precise patterns and at a specific depth by using RF driven ion sources. These steps are often repeated many hundreds of times, depending on the complexity of the desired circuit and its connections. New processes to accomplish each of these steps with better resolution and in improved ways emerge every year, with the result of constantly changing technology in the wafer fabrication industry. New technologies result in denser packing of minuscule surface features such as transistors and micro electro mechanical systems (MEMS). This increased density continues the trend often cited as Moore's Law. A fab is a common term for where these processes are accomplished. Often the fab is owned by the company that sells the chips, such as Intel, Texas Instruments, or Freescale. A foundry is a fab at which semiconductor chips or wafers are fabricated to order for third party companies that sell the chip, such as fabs owned by Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), United Microelectronics Corporation (UMC), GlobalFoundries and Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC). In 2013 the cost of building the next generation wafer fab was over $10 billion.

Рынок WFE

Названный соответственно рынком оборудования для производства кремниевых пластин или рынком фронтального производства (оборудования) пластин, оба использующие аббревиатуру WFE, этот рынок включает в себя производителей оборудования, которое, в свою очередь, используется для производства полупроводников. В 2020 году в отчете Apex Research были названы Applied Materials, ASML, KLA Tencor, Lam Research, TEL и Dainippon Screen Manufacturing как участники рынка, а в отчете electronicsweekly.com за 2019 год, ссылающемся на президента The Information Network Роберта Кастеллано, основное внимание уделялось долям рынка, занимаемым двумя лидерами – Applied Materials и ASML.