चिप निर्माण आज दुनिया की सबसे जटिल प्रक्रिया है। यह एक जटिल प्रक्रिया है जिसे कई शीर्ष कंपनियां पूरा करती हैं। यह लेख इस प्रक्रिया को संक्षेप में प्रस्तुत करने और इस जटिल प्रक्रिया का व्यापक और सामान्य विवरण देने का प्रयास करता है।
सेमीकंडक्टर निर्माण की कई प्रक्रियाएँ हैं, और कहा जाता है कि इसमें सैकड़ों या हज़ारों चरण होते हैं। यह कोई अतिशयोक्ति नहीं है। एक अरब डॉलर के निवेश वाली फैक्ट्री प्रक्रिया का केवल एक छोटा सा हिस्सा ही कर सकती है। ऐसी जटिल प्रक्रिया के लिए, इस लेख को स्पष्टीकरण के लिए पाँच प्रमुख श्रेणियों में विभाजित किया जाएगा: वेफ़र निर्माण, फ़ोटोलिथोग्राफ़ी और नक़्क़ाशी, आयन आरोपण, पतली फिल्म जमाव, और पैकेजिंग और परीक्षण।
1. सेमीकंडक्टर विनिर्माण प्रक्रिया - वेफर विनिर्माण
वेफर निर्माण को निम्नलिखित 5 मुख्य प्रक्रियाओं में विभाजित किया जा सकता है:
(1) क्रिस्टल पुलिंग
◈ डोप्ड पॉलीसिलिकॉन को 1400 डिग्री पर पिघलाया जाता है
◈ उच्च शुद्धता वाली आर्गन निष्क्रिय गैस इंजेक्ट करें
◈ एकल क्रिस्टल सिलिकॉन "बीज" को पिघले हुए पदार्थ में रखें और "बाहर खींचते समय" धीरे-धीरे घुमाएं।
◈ एकल क्रिस्टल पिंड का व्यास तापमान और निष्कर्षण गति द्वारा निर्धारित किया जाता है
(2) वेफर स्लाइसिंग में सिलिकॉन पिंड को अलग-अलग वेफर्स में काटने के लिए एक सटीक "आरी" का उपयोग किया जाता है।
(3) वेफर लैपिंग, एचिंग
◈ कटे हुए वेफर्स को रोटरी ग्राइंडर और एल्यूमिना घोल का उपयोग करके यांत्रिक रूप से पीसा जाता है ताकि वेफर की सतह को समतल और समानांतर बनाया जा सके और यांत्रिक दोषों को कम किया जा सके।
◈ इसके बाद वेफर्स को नाइट्राइड एसिड/एसिटिक एसिड के घोल में डुबोया जाता है, ताकि सूक्ष्म दरारें या सतह की क्षति को हटाया जा सके, इसके बाद उच्च शुद्धता वाले आरओ/डीआई जल स्नान की एक श्रृंखला की जाती है।
(4) वेफर पॉलिशिंग और सफाई
◈ इसके बाद, वेफ़र्स को रासायनिक और यांत्रिक पॉलिशिंग प्रक्रियाओं की एक श्रृंखला में पॉलिश किया जाता है जिसे CMP (केमिकल मैकेनिकल पॉलिश) कहा जाता है। ◈ पॉलिशिंग प्रक्रिया में आमतौर पर दो से तीन पॉलिशिंग चरण शामिल होते हैं, जिसमें तेजी से महीन घोल का उपयोग किया जाता है और RO/DI पानी का उपयोग करके मध्यवर्ती सफाई की जाती है। ◈ कार्बनिक अशुद्धियों और कणों को हटाने के लिए SC1 घोल (अमोनिया, हाइड्रोजन पेरोक्साइड और RO/DI पानी) का उपयोग करके अंतिम सफाई की जाती है। फिर, HF का उपयोग देशी ऑक्साइड और धातु की अशुद्धियों को हटाने के लिए किया जाता है, और अंत में SC2 घोल सतह पर अल्ट्रा-क्लीन नए देशी ऑक्साइड को बढ़ने देता है। (5) वेफर एपिटैक्सियल प्रोसेसिंग
◈ एपीटैक्सियल ग्रोथ (ईपीआई) का उपयोग उच्च तापमान पर एकल-क्रिस्टलीय सिलिकॉन सब्सट्रेट पर वाष्प से एकल-क्रिस्टलीय सिलिकॉन की एक परत विकसित करने के लिए किया जाता है।
◈ वाष्प चरण से एकल-क्रिस्टलीय सिलिकॉन परत विकसित करने की प्रक्रिया को वाष्प चरण एपिटैक्सी (वीपीई) कहा जाता है।
SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl
SiCl4 (सिलिकॉन टेट्राक्लोराइड)
यह अभिक्रिया प्रतिवर्ती है, अर्थात यदि इसमें HCl मिलाया जाए तो सिलिकॉन वेफर की सतह से अलग हो जाएगा।
Si उत्पन्न करने के लिए एक और प्रतिक्रिया अपरिवर्तनीय है: SiH4 → Si + 2H2 (सिलेन)
◈ ईपीआई वृद्धि का उद्देश्य सब्सट्रेट पर विद्युत रूप से सक्रिय डोपेंट की विभिन्न (आमतौर पर कम) सांद्रता वाली परतें बनाना है। उदाहरण के लिए, पी-टाइप वेफर पर एन-टाइप परत।
◈ वेफर मोटाई का लगभग 3%.
◈ बाद की ट्रांजिस्टर संरचनाओं में कोई संदूषण नहीं।
2. सेमीकंडक्टर निर्माण प्रक्रिया - फोटोलिथोग्राफी फोटोलिथोग्राफी मशीन, जिसका हाल के वर्षों में बहुत उल्लेख किया गया है, कई प्रक्रिया उपकरणों में से एक है। यहां तक कि फोटोलिथोग्राफी में भी कई प्रक्रिया चरण और उपकरण हैं।
(1) फोटोरेसिस्ट कोटिंग
पैटर्न की तैयारी पैटर्न की तैयारी आईसी डिजाइनर प्रत्येक परत के पैटर्न को डिजाइन करने के लिए सीएडी सॉफ्टवेयर का उपयोग करते हैं। इसके बाद पैटर्न को लेजर पैटर्न जनरेटर या इलेक्ट्रॉन बीम का उपयोग करके एक ऑप्टिकली पारदर्शी क्वार्ट्ज सब्सट्रेट (टेम्पलेट) में स्थानांतरित किया जाता है।
(3) पैटर्न स्थानांतरण (एक्सपोज़र) यहां, एक फोटोलिथोग्राफी मशीन का उपयोग टेम्पलेट से चिप परत पर पैटर्न को प्रोजेक्ट करने और कॉपी करने के लिए किया जाता है।
(4) विकास और बेकिंग ◈ एक्सपोजर के बाद, फोटोरेसिस्ट के उजागर क्षेत्रों को हटाने के लिए वेफर को एक एसिड या क्षारीय घोल में विकसित किया जाता है। ◈ एक बार जब उजागर फोटोरेसिस्ट को हटा दिया जाता है, तो शेष फोटोरेसिस्ट को सख्त करने के लिए वेफर को कम तापमान पर "बेक" किया जाता है।
3. सेमीकंडक्टर निर्माण प्रक्रियाएँ - नक़्काशी और आयन प्रत्यारोपण (1) गीली और सूखी नक़्काशी ◈ रासायनिक नक़्काशी एक बड़े गीले प्लेटफ़ॉर्म पर की जाती है। ◈ विभिन्न सामग्रियों के चयनित क्षेत्रों को हटाने के लिए विभिन्न प्रकार के एसिड, बेस और कास्टिक घोल का उपयोग किया जाता है। ◈ बीओई, या बफर्ड ऑक्साइड एचेंट, अमोनियम फ्लोराइड के साथ बफर किए गए हाइड्रोफ्लोरिक एसिड से बनाया जाता है और इसका उपयोग अंतर्निहित सिलिकॉन या पॉलीसिलिकॉन परत को नक़्काशी किए बिना सिलिकॉन डाइऑक्साइड को हटाने के लिए किया जाता है। ◈ फॉस्फोरिक एसिड का उपयोग सिलिकॉन नाइट्राइड परतों को नक़्काशी करने के लिए किया जाता है। ◈ नाइट्रिक एसिड का उपयोग धातुओं को नक़्काशी करने के लिए किया जाता है। ◈ सल्फ्यूरिक एसिड के साथ फोटोरेसिस्ट को हटाया जाता है। ◈ सूखी नक़्काशी के लिए, वेफर को एक नक़्काशी कक्ष में रखा जाता है और प्लाज्मा द्वारा नक़्काशी की जाती है। ◈ कर्मियों की सुरक्षा एक प्राथमिक चिंता है। ◈ कई फ़ैब नक़्काशी प्रक्रिया को करने के लिए स्वचालित उपकरणों का उपयोग करते हैं। (2) रेज़िस्ट स्ट्रिपिंग
इसके बाद फोटोरेसिस्ट को वेफर से पूरी तरह अलग कर दिया जाता है, जिससे वेफर पर ऑक्साइड पैटर्न रह जाता है।
(3) आयन प्रत्यारोपण
◈ आयन प्रत्यारोपण वेफर पर मौजूदा परतों के भीतर सटीक क्षेत्रों के विद्युत गुणों को बदल देता है।
◈ आयन इम्प्लांटर्स उच्च-धारा त्वरक ट्यूबों और स्टीयरिंग और फोकसिंग मैग्नेट का उपयोग करते हैं ताकि वेफर सतह पर विशिष्ट डोपेंट के आयनों की बौछार की जा सके।
◈ ऑक्साइड एक अवरोधक के रूप में कार्य करता है जबकि डोपिंग रसायन सतह पर जमा होते हैं और सतह में फैल जाते हैं।
◈ सिलिकॉन सतह को एनीलिंग के लिए 900 डिग्री तक गर्म किया जाता है, और प्रत्यारोपित डोपेंट आयन सिलिकॉन वेफर में आगे फैल जाते हैं।
4. सेमीकंडक्टर विनिर्माण प्रक्रिया - पतली फिल्म जमाव
पतली फिल्म जमा करने के कई तरीके और सामग्री हैं, जिन्हें नीचे एक-एक करके समझाया गया है: (1) सिलिकॉन ऑक्साइड
जब सिलिकॉन ऑक्सीजन में मौजूद होता है, तो SiO2 ऊष्मीय रूप से बढ़ेगा। ऑक्सीजन ऑक्सीजन या जल वाष्प से आती है। परिवेश का तापमान 900 ~ 1200 डिग्री होना आवश्यक है। होने वाली रासायनिक प्रतिक्रिया है
सि + O2 → SiO2
Si +2H2O ->SiO2 + 2H2
चयनात्मक ऑक्सीकरण के बाद सिलिकॉन वेफर की सतह नीचे दिए गए चित्र में दिखाई गई है:
ऑक्सीजन और पानी दोनों ही मौजूदा SiO2 में फैल जाते हैं और Si के साथ मिलकर अतिरिक्त SiO2 बनाते हैं। पानी (वाष्प) ऑक्सीजन की तुलना में ज़्यादा आसानी से फैलता है, इसलिए वाष्प बहुत तेज़ी से बढ़ता है।
ट्रांजिस्टर गेट बनाने के लिए इन्सुलेटिंग और पैसिवेशन परत प्रदान करने के लिए ऑक्साइड का उपयोग किया जाता है। गेट और पतली ऑक्साइड परत बनाने के लिए सूखी ऑक्सीजन का उपयोग किया जाता है। मोटी ऑक्साइड परत बनाने के लिए वाष्प का उपयोग किया जाता है। इन्सुलेटिंग ऑक्साइड परत आमतौर पर लगभग 1500nm होती है, और गेट परत आमतौर पर 200nm और 500nm के बीच होती है।
(2) रासायनिक वाष्प जमाव
रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) तापीय अपघटन और/या गैसीय यौगिकों की प्रतिक्रिया के माध्यम से सब्सट्रेट की सतह पर एक पतली फिल्म बनाता है।
सीवीडी रिएक्टर के तीन मूल प्रकार हैं: ◈ वायुमंडलीय रासायनिक वाष्प जमाव
◈ कम दबाव सी.वी.डी. (एल.पी.सी.वी.डी.)
◈ प्लाज्मा संवर्धित सी.वी.डी. (पीईसीवीडी)
निम्न दाब CVD प्रक्रिया का योजनाबद्ध आरेख नीचे दर्शाया गया है।
सी.वी.डी. की मुख्य प्रतिक्रिया प्रक्रियाएं इस प्रकार हैं
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->एसआई + 2एच२ (600 डिग्री)
जमाव दर 100 - 200 एनएम /मिनट
फॉस्फोरस (फॉस्फ़ीन), बोरॉन (डिबोरेन) या आर्सेनिक गैस मिलाई जा सकती है। पॉलीसिलिकॉन को जमा करने के बाद विसरण गैस के साथ भी डोप किया जा सकता है।
ii) सिलिकॉन डाइऑक्साइड डाइऑक्साइड
SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 डिग्री )
SiO2 का उपयोग इन्सुलेटर या निष्क्रियता परत के रूप में किया जाता है। बेहतर इलेक्ट्रॉन प्रवाह प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए आमतौर पर फॉस्फोरस मिलाया जाता है।
iii) सिलिकॉन नाइट्राइड सिलिकॉन नाइट्राइड
3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2
(सिलेन) (अमोनिया) (नाइट्राइड)
(3) स्पटरिंग
लक्ष्य पर Ar+ जैसे उच्च-ऊर्जा आयनों से बमबारी की जाती है, और लक्ष्य में मौजूद परमाणुओं को स्थानांतरित कर सब्सट्रेट तक पहुँचाया जाता है।
एल्युमीनियम और टाइटेनियम जैसी धातुओं को लक्ष्य के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। (4) वाष्पीकरण
Al या Au (सोना) को वाष्पीकरण बिंदु तक गर्म किया जाता है, और वाष्प संघनित होकर वेफर की सतह को ढकने वाली एक पतली फिल्म बना लेती है।
निम्नलिखित उदाहरण विस्तार से समझाएगा कि सिलिकॉन वेफर पर सर्किट फोटोलिथोग्राफी, नक्काशी से लेकर आयन जमाव तक चरण दर चरण कैसे बनाया जाता है:
5. सेमीकंडक्टर विनिर्माण प्रक्रिया - पैकेजिंग परीक्षण (पोस्ट-प्रोसेसिंग)
(1) वेफर परीक्षण अंतिम सर्किट तैयारी पूरी होने के बाद, दोषपूर्ण उत्पादों को हटाने के लिए स्वचालित जांच परीक्षण विधि का उपयोग करके वेफर पर परीक्षण उपकरणों का परीक्षण किया जाता है।
(2) वेफर डाइसिंग जांच परीक्षण के बाद, वेफर को अलग-अलग चिप्स में काट दिया जाता है।
(3) वायरिंग और पैकेजिंग ◈ अलग-अलग चिप्स लीड फ्रेम से जुड़े होते हैं, और एल्युमीनियम या गोल्ड लीड थर्मल कम्प्रेशन या अल्ट्रासोनिक वेल्डिंग द्वारा जुड़े होते हैं। ◈ डिवाइस को सिरेमिक या प्लास्टिक पैकेज में सील करके पैकेजिंग पूरी की जाती है। ◈ अधिकांश चिप्स को डाउनस्ट्रीम उपयोगकर्ताओं को भेजे जाने से पहले अंतिम कार्यात्मक परीक्षण से गुजरना पड़ता है।
