Pembuatan chip merupakan proses paling rumit di dunia saat ini. Ini merupakan proses rumit yang diselesaikan oleh banyak perusahaan papan atas. Artikel ini berusaha untuk meringkas proses ini dan memberikan deskripsi umum dan menyeluruh tentang proses rumit ini.
Ada banyak proses manufaktur semikonduktor, dan konon ada ratusan atau bahkan ribuan langkah. Ini bukan berlebihan. Pabrik dengan investasi miliaran dolar mungkin hanya mengerjakan sebagian kecil dari proses tersebut. Untuk proses yang begitu rumit, artikel ini akan dibagi menjadi lima kategori utama untuk penjelasannya: manufaktur wafer, fotolitografi dan etsa, implantasi ion, pengendapan lapisan tipis, serta pengemasan dan pengujian.
1. Proses pembuatan semikonduktor - pembuatan wafer
Pembuatan wafer dapat dibagi menjadi 5 proses utama berikut:
(1) Penarikan Kristal
◈ Polisilikon yang didoping dicairkan pada suhu 1400 derajat
◈ Suntikkan gas inert argon dengan kemurnian tinggi
◈ Letakkan "benih" silikon kristal tunggal ke dalam lelehan dan putar perlahan saat "ditarik keluar".
◈ Diameter ingot kristal tunggal ditentukan oleh suhu dan kecepatan ekstraksi
(2) Pemotongan wafer menggunakan "gergaji" presisi untuk memotong ingot silikon menjadi wafer individual.
(3) Lapping wafer, etsa
◈ Wafer yang telah diiris digiling secara mekanis menggunakan penggiling putar dan bubur alumina untuk membuat permukaan wafer rata dan sejajar serta mengurangi cacat mekanis.
◈ Wafer kemudian dietsa dalam larutan asam nitridasi/asam asetat untuk menghilangkan retakan mikroskopis atau kerusakan permukaan, diikuti oleh serangkaian penangas air RO/DI kemurnian tinggi.
(4) Pemolesan dan pembersihan wafer
◈ Selanjutnya, wafer dipoles dalam serangkaian proses pemolesan kimia dan mekanis yang disebut CMP (Chemical Mechanical Polish). ◈ Proses pemolesan biasanya mencakup dua hingga tiga langkah pemolesan menggunakan bubur yang semakin halus dan pembersihan antara menggunakan air RO/DI. ◈ Pembersihan akhir dilakukan menggunakan larutan SC1 (amonia, hidrogen peroksida, dan air RO/DI) untuk menghilangkan kotoran dan partikel organik. Kemudian, HF digunakan untuk menghilangkan oksida asli dan kotoran logam, dan akhirnya larutan SC2 memungkinkan oksida asli baru yang sangat bersih tumbuh di permukaan. (5) Pemrosesan epitaksial wafer
◈ Pertumbuhan epitaksial (EPI) digunakan untuk menumbuhkan lapisan silikon kristal tunggal dari uap ke substrat silikon kristal tunggal pada suhu tinggi.
◈ Proses menumbuhkan lapisan silikon kristal tunggal dari fase uap disebut epitaksi fase uap (VPE).
SiCl4 + 2H2 ↔ Si+ 4HCl
SiCl4 (silikon tetraklorida)
Reaksinya bersifat reversibel, yaitu jika HCl ditambahkan, silikon akan tergores keluar dari permukaan wafer.
Reaksi lain untuk menghasilkan Si bersifat irreversible: SiH4 → Si + 2H2 (silane)
◈ Tujuan pertumbuhan EPI adalah untuk membentuk lapisan dengan konsentrasi dopan aktif elektrik yang berbeda (biasanya lebih rendah) pada substrat. Misalnya, lapisan tipe-N pada wafer tipe-P.
◈ Sekitar 3% dari ketebalan wafer.
◈ Tidak ada kontaminasi pada struktur transistor berikutnya.
2. Proses produksi semikonduktor - Fotolitografi Mesin fotolitografi yang banyak dibicarakan dalam beberapa tahun terakhir ini hanyalah salah satu dari sekian banyak peralatan proses. Bahkan fotolitografi memiliki banyak langkah proses dan peralatan.
(1) Pelapisan fotoresist
Photoresist adalah material yang peka terhadap cahaya. Sejumlah kecil cairan photoresist ditambahkan ke wafer. Wafer diputar pada kecepatan 1000 hingga 5000 RPM, menyebarkan photoresist menjadi lapisan seragam setebal 2 hingga 200um. Ada dua jenis photoresist: negatif dan positif. Positif: Paparan cahaya dapat memecah struktur molekul yang kompleks, membuatnya mudah larut. Negatif: Paparan membuat struktur molekul lebih kompleks dan lebih sulit larut. Langkah-langkah yang terlibat dalam setiap langkah fotolitografi adalah sebagai berikut; ◈ Bersihkan wafer ◈ Endapkan lapisan penghalang SiO2, Si3N4, logam ◈ Oleskan photoresist ◈ Panggang lembut ◈ Sejajarkan masker ◈ Paparan grafis ◈ Pengembangan ◈ Panggang ◈ Etsa ◈ Hapus photoresist (2) Persiapan Pola Persiapan Pola Perancang IC menggunakan perangkat lunak CAD untuk mendesain pola setiap lapisan. Pola tersebut kemudian ditransfer ke substrat kuarsa yang transparan secara optik (templat) dengan pola menggunakan generator pola laser atau sinar elektron.
(3) Pemindahan pola (eksposur) Di sini, mesin fotolitografi digunakan untuk memproyeksikan dan menyalin pola dari templat ke lapisan chip.
(4) Pengembangan dan Pemanggangan ◈ Setelah terpapar, wafer dikembangkan dalam larutan asam atau basa untuk menghilangkan area photoresist yang terpapar. ◈ Setelah photoresist yang terpapar dihilangkan, wafer "dipanggang" pada suhu rendah untuk mengeraskan photoresist yang tersisa.
3. Proses Pembuatan Semikonduktor - Pengetsaan dan Implantasi Ion (1) Pengetsaan Basah dan Kering ◈ Pengetsaan kimia dilakukan pada platform basah yang besar. ◈ Berbagai jenis larutan asam, basa, dan kaustik digunakan untuk menghilangkan area tertentu dari berbagai material. ◈ BOE, atau buffered oxide etchant, dibuat dari asam hidrofluorat yang dibuffer dengan amonium fluorida dan digunakan untuk menghilangkan silikon dioksida tanpa mengetsa lapisan silikon atau polisilikon yang mendasarinya. ◈ Asam fosfat digunakan untuk mengetsa lapisan silikon nitrida. ◈ Asam nitrat digunakan untuk mengetsa logam. ◈ Photoresist dihilangkan dengan asam sulfat. ◈ Untuk pengetsaan kering, wafer ditempatkan di ruang pengetsaan dan dietsa dengan plasma. ◈ Keselamatan personel menjadi perhatian utama. ◈ Banyak pabrik menggunakan peralatan otomatis untuk melakukan proses pengetsaan. (2) Pengupasan Resist
Photoresist kemudian dilepaskan sepenuhnya dari wafer, meninggalkan pola oksida pada wafer.
(3) Implantasi ion
◈ Implantasi ion mengubah sifat kelistrikan pada area yang tepat dalam lapisan yang ada pada wafer.
◈ Implanter ion menggunakan tabung akselerator arus tinggi dan magnet pengarah dan pemfokus untuk membombardir permukaan wafer dengan ion dopan tertentu.
◈ Oksida bertindak sebagai penghalang sementara bahan kimia doping disimpan di permukaan dan berdifusi ke dalam permukaan.
◈ Permukaan silikon dipanaskan hingga 900 derajat untuk anil, dan ion dopan yang ditanamkan berdifusi lebih jauh ke dalam wafer silikon.
4. Proses Pembuatan Semikonduktor - Deposisi Lapisan Tipis
Terdapat banyak cara dan isi pengendapan film tipis, yang dijelaskan satu per satu di bawah ini: (1) Silikon Oksida
Ketika silikon ada dalam oksigen, SiO2 akan tumbuh secara termal. Oksigen berasal dari oksigen atau uap air. Suhu lingkungan yang dibutuhkan adalah 900 ~ 1200 derajat. Reaksi kimia yang terjadi adalah
Si + O2 → SiO2
Si +2H2O ->SiO22 + 2H2
Permukaan wafer silikon setelah oksidasi selektif ditunjukkan pada gambar di bawah ini:
Baik oksigen maupun air berdifusi melalui SiO2 yang ada dan bergabung dengan Si untuk membentuk SiO2 tambahan. Air (uap) berdifusi lebih mudah daripada oksigen, sehingga uap tumbuh jauh lebih cepat.
Oksida digunakan untuk menyediakan lapisan isolasi dan pasivasi guna membentuk gerbang transistor. Oksigen kering digunakan untuk membentuk gerbang dan lapisan oksida tipis. Uap digunakan untuk membentuk lapisan oksida tebal. Lapisan oksida isolasi biasanya sekitar 1500nm, dan lapisan gerbang biasanya antara 200nm dan 500nm.
(2) Deposisi Uap Kimia
Deposisi uap kimia (CVD) membentuk lapisan tipis pada permukaan substrat melalui dekomposisi termal dan/atau reaksi senyawa gas.
Ada tiga jenis dasar reaktor CVD: ◈ Deposisi uap kimia atmosfer
◈ CVD tekanan rendah (LPCVD)
◈ CVD yang ditingkatkan plasma (PECVD)
Diagram skema proses CVD tekanan rendah ditunjukkan di bawah ini.
Proses reaksi utama CVD adalah sebagai berikut
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->Si + 2h2 (600 derajat)
Laju pengendapan 100 - 200 nm/menit
Fosfor (fosfina), boron (diborana) atau gas arsenik dapat ditambahkan. Polisilikon juga dapat didoping dengan gas difusi setelah pengendapan.
ii) Silikon dioksida Dioksida
SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 derajat)
SiO2 digunakan sebagai isolator atau lapisan pasif. Fosfor biasanya ditambahkan untuk mendapatkan kinerja aliran elektron yang lebih baik.
iii) Silikon nitrida Silikon Nitrida
3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2
(Silana) (Amonia) (Nitrida)
(3) Penyemprotan
Target dibombardir dengan ion berenergi tinggi seperti Ar+, dan atom-atom dalam target akan dipindahkan dan diangkut ke substrat.
Logam seperti aluminium dan titanium dapat digunakan sebagai target. (4) Penguapan
Al atau Au (emas) dipanaskan hingga titik penguapan, dan uapnya akan mengembun dan membentuk lapisan tipis yang menutupi permukaan wafer.
Contoh berikut akan menjelaskan secara rinci bagaimana rangkaian pada wafer silikon dibentuk langkah demi langkah dari fotolitografi, etsa hingga pengendapan ion:
5. Proses Pembuatan Semikonduktor - Uji Pengemasan (Pasca-pemrosesan)
(1) Uji Wafer Setelah persiapan sirkuit akhir selesai, perangkat uji pada wafer diuji menggunakan metode uji probe otomatis untuk menghilangkan produk yang rusak.
(2) Wafer Dicing Setelah uji probe, wafer dipotong menjadi kepingan individual.
(3) Pengkabelan dan pengemasan ◈ Chip individual dihubungkan ke rangka kabel, dan kabel aluminium atau emas dihubungkan dengan kompresi termal atau pengelasan ultrasonik. ◈ Pengemasan diselesaikan dengan menyegel perangkat dalam paket keramik atau plastik. ◈ Sebagian besar chip masih perlu menjalani pengujian fungsional akhir sebelum dikirim ke pengguna hilir.
