Puolijohteiden valmistusteollisuudessa käytetään monenlaisia pitkälle erikoistuneita laitteita kehittyneiden integroitujen piirien tuottamiseen. Tässä artikkelissa luodaan yleiskatsaus kahdeksaan kriittiseen luokkaan, jotka ovat seuraavat puolijohdelaitteet, tarkastelemalla niiden toimintoja, teknologista merkitystä ja alan suuntauksia.
1. Litografialaitteet
Litografiakoneet ovat puolijohdevalmistuksen kulmakivi. Litografiaprosessi määrittelee sirujen pienimmät piirikoot ja määrittää suoraan prosessisolmut ja laitteiden suorituskyvyn. Kehittyneet sirut vaativat usein 60-90 litografiavaihetta, ja litografian osuus valmistuskustannuksista on noin 30% ja kokonaisprosessointiajasta 40-50%.
Litografiajärjestelmään kuuluu tyypillisesti valonlähde, tasainen valaistusoptiikka, projektiolinssejä sekä tarkkuusmekaniikka- ja ohjausjärjestelmiä, kuten kiekkovaiheet ja maskin kohdistimet. Puolijohteiden monimutkaisuuden kasvaessa litografiajärjestelmien kotimainen tuotanto on edelleen vähäistä, ja suuri osa markkinoista on riippuvainen tuontilaitteista. Nykyisessä kehitystyössä keskitytään pienempien noodien ja suuremman tarkkuuden saavuttamiseen, ja upotuslitografiatekniikoissa edistytään jatkuvasti.
2. Etsauslaitteet
Syövytys on keskeinen prosessi, jossa piirikuviot siirretään naamioilta kiekkoihin. Syövytyslaitteet poistavat materiaalia kiekon pinnalta muodostaakseen integroiduissa piireissä tarvittavia tarkkoja mikrorakenteita. Syövytysprosessit jaetaan kuivasyövytykseen ja märkäsyövytykseen.
- Kuiva syövytys, joka hallitsee yli 90% sovelluksia, sisältää plasmasyövytyksen, ionisputteroinnin ja reaktiivisen ionisyövytyksen. Se tarjoaa paremman anisotropian ja tarkkuuden submikronisille piirteille.
- Märkäetsaus käytetään tyypillisesti suurempiin piirteisiin tai kuivaetsauksen jälkeisten jäämien poistoon.
Kuivaetsaus voidaan jakaa myös fysikaaliseen etsaukseen ja kemialliseen etsaukseen. Fysikaalinen syövytys perustuu ionipommitukseen, kun taas kemiallinen syövytys sisältää reaktiivisia plasmoja, jotka muodostavat haihtuvia sivutuotteita. Nämä tekniikat ovat kriittisiä logiikka- ja muistisirujen valmistuksessa.
3. Ohutkalvopäällystyslaitteet
Ohutkalvopäällystyslaitteet ovat välttämättömiä johtavien tai eristävien kerrosten luomiseksi kiekkoihin. Tärkeimpiä pinnoitustekniikoita ovat mm:
- Kemiallinen höyrystys (CVD) - PECVD-, LPCVD-, APCVD- ja SACVD-muunnokset mahdollistavat piidioksidin, piidinitridin ja muiden materiaalien laskeutumisen erittäin tasaisesti ja pienellä virheiden määrällä.
- Fysikaalinen höyrypinnoitus (PVD) - Pääasiassa sputterointi, jota käytetään CMOS-laitteiden metallikerroksissa.
- Atomikerroskasvatus (ALD) - Mahdollistaa erittäin ohuet, erittäin tarkat kerrokset, jotka ovat kriittisiä kehittyneille solmuille ja 3D NAND -rakenteille.
3D-muistilaitteiden ja FinFET-rakenteiden monimutkaistumisen myötä ohutkalvopinnoituslaitteiden kysyntä kasvaa edelleen sekä kotimaassa että kansainvälisesti.
4. Mittaus- ja tarkastuslaitteet
Metrologia- ja tarkastustyökalut ovat ratkaisevan tärkeitä korkean tuoton ylläpitämiseksi ja tuotantokustannusten alentamiseksi.
- Metrologialaitteet mittaa kiekon rakenteita, ohutkalvon paksuutta, kriittisiä mittoja ja pintamorfologiaa prosessin vaatimustenmukaisuuden varmistamiseksi.
- Tarkastuslaitteet havaitsee vikoja, kuten hiukkasia, naarmuja tai piirin poikkeavuuksia, ja estää näin tuoton menetyksen.
Kiinan markkinat ovat kasvaneet merkittävästi viime vuosina, ja niiden osuus puolijohteiden tarkastuslaitteiden maailmanmarkkinoista on kasvanut.
5. Ioni-implantointilaitteet
Ioni-implantointi on keskeinen prosessi puolijohdekiekkojen seostamisessa. Siinä kiihdytetään tiettyjä alkuaineita sisältäviä ioneja kiekkoon sähköisten ominaisuuksien muuttamiseksi tarkasti. Perinteiseen termiseen diffuusiodopingiin verrattuna etuja ovat muun muassa seuraavat:
- Erittäin tasainen ja hallittavissa oleva dopingainejakauma
- Kyky valikoivaan kuviokuvioituihin alueisiin kohdistuvaan dopingaineistukseen
- Materiaalin liukoisuus ei aiheuta rajoituksia
Ioni-istutusta käytetään laajalti kehittyneiden logiikka-, muisti- ja aurinkokennojen valmistuksessa. Kotimainen kehitys on saavuttanut merkittäviä virstanpylväitä, jotka kattavat 12-tuumaisten kiekkojen täyden prosessituen kehittyneissä solmupisteissä.
6. Puhdistuslaitteet
Kiekkojen puhdistus varmistaa korkean tuoton ja laitteiden suorituskyvyn poistamalla hiukkaset, jäämät, metallit ja muut epäpuhtaudet. Puhdistuslaitteissa käytetään kahta päämenetelmää:
- Märkäpuhdistus - Käytetään kemiallisia liuoksia ja deionisoitua vettä, usein ultraääni- tai suihkutusavusteisia prosesseja; sen osuus puhdistusvaiheista on yli 90%.
- Kemiallinen pesu - Käytetään kaasufaasikemikaaleja tai plasmaa tiettyjen epäpuhtauksien poistamiseen, lähinnä kehittyneissä solmupisteissä.
Puhdistustekniikat kehittyvät jatkuvasti kohti pienempää jalanjälkeä, suurempaa tehokkuutta ja ympäristöystävällisempää toimintaa. Integroitujen 3D-piirien lisääntyvä monimutkaisuus lisää kysyntää kehittyneille puhdistusprosesseille koko kiekkovalmistuksen ajan.
7. Kemiallinen mekaaninen kiillotus (CMP) -laitteet
CMP-laitteilla suoritetaan kiekkopintojen kokonaisvaltainen tasoitus yhdistämällä kemiallinen syövytys ja mekaaninen kiillotus. Sillä varmistetaan kiekon tasaisuus myöhempiä etsaus- tai depositioprosesseja varten, ja se on ratkaisevan tärkeää kehittyneissä pakkaussovelluksissa, kuten 2,5D/3D-IC-integraatiossa ja TSV-rakenteissa.
Kun laitteiden monimutkaisuus ja metallikerrosten pinoaminen lisääntyvät, CMP:stä tulee olennaisen tärkeää tasalaatuisuuden ylläpitämiseksi, vikojen minimoimiseksi ja korkean resoluution litografian mahdollistamiseksi.
8. Puolijohteiden testauslaitteet
Testauksella varmistetaan, että puolijohdekomponentit täyttävät toiminnalliset ja sähköiset vaatimukset. Testauslaitteisiin kuuluvat:
- Testaajat - Arvioi kiekkojen ja pakattujen sirujen suorituskykyä ja toimivuutta.
- Luotaimet - Kiekkojen liittäminen testereihin in-line-testausta varten.
- Lajittelijat - Automatisoi testattujen laitteiden käsittely ja luokittelu.
Testauksen osuus laitteiden arvosta on merkittävä, usein yli 60%, mikä korostaa sen merkitystä puolijohteiden arvoketjussa kiekon valmistuksesta loppukokoonpanoon.
Päätelmä
Puolijohdelaitteiden teollisuus kattaa litografian, etsauksen, laskeutumisen, metrologian, ioni-implantoinnin, puhdistuksen, CMP:n ja testauksen segmentit. Teknologinen kehitys kussakin kategoriassa on elintärkeää, jotta voidaan saavuttaa suurempia tuottoja, pienempiä prosessin solmuja ja monimutkaisempia laitteita. Kotimaiset ja kansainväliset markkinat kasvavat, joten jatkuva innovointi, automaatio ja tarkkuus pysyvät puolijohdelaitteiden sektorin keskeisinä tekijöinä.