Từ phiến silicon đến chíp thành phẩm (P1) Wafer fabrication

Bài viết liên quan

Phần 1: Công nghệ vi điện tử được tiến hành trong phòng sạch (clean room). 

Từ cuối những năm 1960 các mạch điện tử được cải thiện một cách rõ rệt cả về hiệu năng, về chức năng và độ ổn định khi tích hợp các vi bóng bán dẫn trên một chíp. Điều này đảm bảo cho việc hạ giá thành sản phẩm, tăng công suất sản xuất. Từ đó tới nay mật độ tổ hợp của bóng bán dẫn đã tăng lên nhanh chóng đặc biệt với sự hỗ trợ của của công nghệ chân không, cơ khí chính xác, quang học, ngành công nghệ vi điện tử vẫn là ngành công nghệ làm thay đổi thế giới. Tấm silicon - vật liệu ban đầu dùng trong ngành công nghệ vi điện tử là các phiến silicon (silicon wafer) có bề dày cỡ 400 micro-mét với đường kính khác nhau (tấm silicon có đường kính lớn nhất và phổ biến nhất mà người ta có thể chế tạo là 12 inch (300mm), nghĩa là tương đương một chiếc piza lớn). Tấm silicon có đường kính càng lớn thì càng khó chế tạo, thiết bị dành cho công nghệ tấm lớn càng tốn kém nhưng số linh kiện thu được trên một tấm lại được nâng cao.

Hình 1: Tấm Wafer với các kích cỡ khác nhau

Phòng sạch: Clean room

- Mọi quá trình công nghệ chế tạo mạch tổ hợp được tiến hành trong phòng sạch. Đó là nơi con người cần phải xử lý các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và lưu thông khí sao cho số hạt bụi có trong một đơn vị thể tích là nhỏ hơn rất nhiều so với môi trường bình thường. Độ sạch của phòng sạch khi được chế tạo phải tuân thủ những tiêu chuẩn ISO khác nhau (từ ISO 1 đến ISO 9 trong đó ISO 1 có độ sạch cao nhất tương đương với 10 hạt bụi kích thước nhỏ hơn 0.1 micron trong một phút khối) độ sạch càng lớn thì chi phí vận hành càng tốn kém. Bạn có thể tham khảo chi tiết hơn về phòng sạch tại đây.

Xử lý bề mặt: Cleaning

- Đó là việc đầu tiên người làm công nghệ cần thực hiện trong phòng sạch. Công đoạn làm sạch bề mặt phiến (silicon) thường được thực hiện nhờ các axit mạnh, các chất có tính ôxi hoá như HNO3, H2SO4 H2O2 và HF. Việc xử lý bề mặt sẽ giúp chúng ta loại bỏ những tạp chất vô cơ, hữu cơ hoặc sai hỏng trên bề mặt tấm silicon trước khi chuyển nó vào những bước công nghệ tiếp theo. Kỹ thuật làm sạch thường sử dụng là RCA clean (wet cleaning) bao gồm nhiều bước.

• SC1 (standard clean 1) - removes organic films and particles.
• SC2 (standard clean 2) - removes metals.
• HF (hydrofluoric acid) removes silicon dioxide layers.
• May include SPM (sulfuric peroxide) - removes gross organic layers.

Ôxi hoá: Oxidation

- Trong quá trình chế tạo mạch tích hợp người ta thường phải dùng lớp SiO2 trên bề mặt tinh thể Si.. Lớp SiO2 này có hệ số dãn nở nhiệt gần bằng hệ số giản nở nhiệt của Si, với hằng số điện môi 3.9~ 4, có tác dụng bảo vệ bề mặt các linh kiện bán dẫn dưới tác dụng của môi trường bên ngoài, che chắn bề mặt Si trong quá trình khuếch tán định xứ các tạp chất như P và B. Ngoài ra lớp SiO2 còn được sử dụng làm cực (gate) cửa cho bóng bán dẫn (transistor). Có nhiều phương pháp tạo ra lớp SiO2 nhưng phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để nhận lớp SiO2 là phương pháp ôxy hoá ở nhiệt độ cao (khoảng 10000C -11000C).

Hình 4: Quá trình oxi hóa

Khuếch tán:  Diffusion

- Là kỹ thuật được sử dụng trong công nghệ bán dẫn để tạo các vùng chuyển tiếp của transitor. Có nhiều phương pháp để khuếch tán tạp tạo vùng chuyển tiếp P-N khác nhau như phương pháp khuếch tán ở nhiệt độ cao, phương pháp cấy ion... Tuỳ thuộc vào đế silicon và mục đích của việc pha tạp người làm công nghệ sẽ phải dùng hai loại tạp phổ biến nhất là Boron (B) hoặc phốtpho (P) cho quá trình này.

Quang khắc: Photolithography 

- Là tập hợp các quá trình quang hoá nhằm tạo ra các chi tiết trên bề mặt phiến silicon có kích thước và hình dạng giống như thiết kế. Để làm được điều này cần phải có những bộ mặt nạ (mask), chất cảm quang (photoresist) nguồn sáng UV và dung dịch hiện hình (developer). Mặt nạ thường là một tấm thuỷ tinh hữu cơ được phủ một màng crôm trên đó khắc hoạ những chi tiết phù hợp với thiết kế của cảm biến hoặc mạch tích hợp (IC).

Hình 5: Quá trình quang khắc

Người ta phủ lên trên bề mặt phiến silicon có tính chất nhậy sáng đặc biệt (photoresist) – thường được gọi là chất cảm quang. Chất cảm quang phải bảo đảm hai tính chất: Nhạy quang và bền vững trong các dung môi axít hoặc kiềm. Chất cảm quang có nhiệm vụ là lớp bảo vệ có hình dạng cần thiết cho bề mặt khỏi bị tác dụng của các dung môi hoá học. Người ta phân loại cảm quang thành cảm quang dương và cảm quang âm dựa vào cơ chế phản ứng xẩy ra trong cảm quang khi bị chiếu sáng và sự thay đổi tính chất trong quá trình chiếu sáng. Cảm quang âm khi bị chiếu sáng trở nên không bị hoà tan trong các dung môi tương ứng. Còn các cảm quang dương thì ngược lại, khi bị chiếu sáng sẽ hoà tan trong các dung môi.

Hình 6: Quá trình xử lý quang khắc

Dung dịch hiện Developer cho phép hiện hình những chi tiết tạo ra trên lớp cảm quang do tác dụng của nguồn UV. Quá trình này giống như quá trình rửa ảnh trong kỹ thuật nhiếp ảnh. Ở mặt nạ đầu tiên quá trình quang khắc được thực hiện khá đơn giản: đặt phiến silicon lên gá, thiết lập các điều kiện cần thiết như chân không, khí nén, chế độ tiếp xúc, công suất UV, thời gian chiếu sáng … và chiếu sáng. Tuy vậy để chế tạo một mạch tổ hợp người ta phải dùng tới nhiều bộ mặt nạ khác nhau. Để các chi tiết trên mặt nạ, trên phiến silicon của lần chế tạo trước đó (với một mặt khác trong cả bộ) trùng khít lên những chi tiết của mặt nạ hiện tại người ta phải dùng một kỹ thuật gọi là kỹ thuật đồng chỉnh (so mask hay mask aligner). Kỹ thuật này được thực hiện thông qua những dấu hiệu gọi là dấu so (mask marks) với sự trợ giúp quang học (kính hiển vi, CCD camera…) và hệ vi chỉnh cơ khí theo các chiều X,Y và chỉnh méo. Thông qua những dấu so đặc biệt này người ta có thể chắc chắn được rằng mọi chi tiết trên phiến silicon nhận được từ các mặt nạ khác nhau là trùng khít lên nhau. Trong quá trình chế tạo photođiốt chúng ta sẽ sử dụng một bộ 03 mặt nạ.

Hiện nay mật độ bóng bán dẫn trên một chíp ngày một tăng nên ngoài kỹ thuật quang khắc còn nhiều kỹ thuật khác cho phép khắc lên trên lớp cảm quang những chi tiết với độ phân giải và mức độ tinh vi tốt hơn rất nhiều như kỹ thuật e-beam lithography (kỹ thuật khắc dùng chùm điện tử), hoặc tia X.

Cấy ion:  Ion Implantation

Các tạp chất có thể được sử dụng để thay đổi các đặc tính về điện của silicon. Việc đưa các tạp chất vào trong silicon theo cách được kiểm soát là chìa khóa để hình thành nên các mạch tích hợp. Implant ion hiện là phương pháp phổ biến nhất để đưa tạp chất vào trong các tấm silicon. Trong một thiết bị cấy ion, các tạp chất được đưa vào silicon sẽ được ion hóa, tức là loại bỏ một hay nhiều electron khiến ion tạp chất mang điện tích dương. Một điện trường điện áp cao sau đó được sử dụng để tăng tốc các ion với một năng lượng rất cao. Quá trình gia tốc này được thực hiện trong chân không để các ion không va chạm với bất kỳ khí nào trong quá trình tăng tốc. Các ion gia tốc sau đó được “cấy ghép” vào bề mặt silicon nhờ vào năng lượng cao của chúng khiến chúng thâm nhập, thấm vào bề mặt mà chúng được nhắm vào trước khi dừng nghỉ.

Quá trình cấy ghép ion được chọn lọc bằng cách sử dụng một mô hình photoresist để chặn các ion tạp chất đến silicon mà không có tạp chất mong muốn. Quá trình đưa vào có chọn lọc của tạp chất bắt đầu với sự phát triển/gia tăng của một lớp silicon dioxide/ SiO2 mỏng. Lớp silicon dioxide bảo vệ bề mặt silicon, nhưng phải đủ mỏng để không chặn các ion cấy vào. Photoresist sau đó được ứng dụng và mô hình hóa như trong hình 6, và quá trình cấy ion được thực hiện. Sau khi cấy ion,

photoresist bị loại bỏ và một quá trình lò nung nhiệt độ cao được sử dụng để hàn gắn "rạn nứt" trong cấu trúc tinh thể sau quá trình ion năng lượng cao ảnh hưởng đến silicon - xem hình 7.

Hình 7: Quá trình cấy ion

Ăn mòn: Etching 

- Khi wafer đã có lớp SiO2 phủ lên rồi thì bước kếp tiếp cũng giống như quá trình làm bo mạch điện (PCB). Sau khi dùng mực cảm quang in lên rồi thì sau đó sẽ đến bước "tẩy" phần không cần tới.
Đây là bước của khâu ETCH. Có hai phương pháp ăn mòn chính là : ăn mòn ướt (wet etch) và ăn mòn khô (dry etch).

Ăn mòn ướt - Đây là kỹ thuật thông dụng nhất trong công nghệ bán dẫn. Nó sử dụng hóa chất lỏng, chủ yếu là axit để ăn mòn vật liệu. Ăn mòn ướt chủ yếu là không định hướng/đẳng hướng (isotropic etch)

Ăn mòn khô - Trong kỹ thuật ăn mòn khô, tấm silicon được đưa vào trong buồng chân không, sau đó hỗn hợp khí dùng cho ăn mòn được đưa vào trong buồng phản ứng. Ở chân không thích hợp, dưới tác dụng của nguồn cao tần, khí ăn mòn bị ion hoá và chúng ta thu được hỗn hợp plasma của khí nói trên bao gồm các ion F+ do đó SiO2 hoặc Si … bị ăn mòn và tạo ra các sản phẩm phản ứng tương ứng. Ăn mòn khô có thể là định hướng/không đẳng hướng (anisotropic etching) hoặc không định hướng.

Nhờ kỹ thuật này mà chúng ta có thể mang lại kỹ thuật ăn mòn vật liệu với hệ số tỷ lệ d/w (sâu/cao) rất lớn. Tuỳ theo độ dầy và vật liệu mà người ta chọn các chế độ ăn mòn khác nhau. Với kỹ thuật này các hãng sản xuất lớn có thể phân đoạn thiết bị dành riêng cho quá trình ăn mòn “nông” với một vài micromet chiều sâu cho tới thiết bị có thể ăn mòn qua tấm silicon (cỡ 400 micrô-mét) chỉ trong hai giờ. Thông tin thêm về lý thuyết hoặc kỹ thuật ăn mòn khô có thể tìm thấy tại www.stsystems.com và www.adixen.com là hai nhà sản xuất thiết bị ăn mòn khô nổi tiếng nhất hiện nay.

Kỹ thuật màng mỏng: Chemical Vapor Deposition (CVD)

– Chủ yếu để tạo những lớp vật liệu có bề dày như mong muốn lên trên một lớp vật liệu khác. Đây là quá trình đòi hỏi khá nhiều kiến thức bổ xung như kỹ thuật chân không, cấu trúc vật liệu…Các kỹ thuật cơ bản để tạo màng mỏng ở đây gồm hai phương pháp – vật lý và hoá học. Phương pháp vật lý bao gồm: phún xạ (sputtering), bốc bay hơi nhiệt (evaporation), phương pháp phun tĩnh điện…. Trong khi đó phương pháp hoá học có: lắng đọng hoá học pha hơi (CVD), lắng đọng hoá học pha hơi áp suất thấp (LPCVD), và Sol-gel.

Đo đạc và khảo sát thông số công nghệ 

- Đây là giai đoạn sau khi phiến silicon đã đi qua các bước công nghệ trong phòng sạch. Ở khâu này người kỹ sư cần xác định các đặc tuyến I-V, C-V hoặc điện trở (R), dòng dò, chế độ làm việc.…của linh kiện. Lúc này, các chíp vẫn nằm trên phiến. Để có thể tiến hành các bước tiếp sau, người kỹ sư phải cắt rời các chíp trên tấm silicon, và ở giai đoạn này chíp còn được gọi là “die”.

Như vậy, chúng ta đã đi qua một số bước cơ bản nhất của quá trình chế tạo chíp trong phòng sạch. Ở phần sau sẽ trình bày khâu đóng vỏ, một trong những công đoạn quan trọng trong cả quy trình chế tạo chíp bán dẫn.

Chia sẻ bài viết