Технологічний процес напівпровідникового виробництва — технологічний процес виготовлення напівпровідникових (н/п) виробів і матеріалів, що передбачає послідовність технологічних (обробка, складання) та контрольних операцій, частина виробничого процесу виготовлення н/п виробів (транзисторів, діодів тощо).

Для виробництва н/п інтегральних мікросхем, застосовується фотолітографія і літографічне обладнання. Саме роздільна здатність (у мкм і нм) цього обладнання (т. зв. проектні норми) і визначає назву застосовуваного певного технологічного процесу.

Удосконалення технології та відповідне зменшення розмірів напівпровідникових структур, сприяють поліпшенню характеристик (розміри, енергоспоживання, вартість) напівпровідникових приладів (мікросхем, процесорів, мікроконтролерів тощо). Особливу значущість це має для процесорних ядер, стосовно споживання електроенергії та підвищення продуктивності, тож нижче у дописі вказано процесори (ядра) масового виробництва на певному техпроцесі.

Майже завжди використовується кремній, але для особливих застосувань, послуговуються різноманітними складаними напівпровідниками.

Процес виготовлення відбувається на вузькоспеціалізованих заводах з виробництва напівпровідників, які також називають «ливарнями» або «фабриками», з осердям, котре є «чистою кімнатою». Для більш просунутих, досконалих напівпровідникових пристроїв, як-от сучасні вузли розміром 14/10/7 нанометрів, виготовлення може тривати до 15 тижнів, водночас термін 11-13 тижнів, є середнім показником по галузі. Виробництво на передових виробничих потужностях цілком автоматизоване та здійснюється в непроникно закритому азотному середовищі заради підвищення виходу (відсоток мікрочипів, які правильно працюють у пластині), з роботизованими системами пересування матеріалів, котрі піклуються про доправлення пластин від машини до машини.

Особливості виготовлення Технології виробництва напівпровідникової продукції з субмікронними розмірами елементів засновані на надзвичайно розлогому переліку складних фізико-хімічних процесів: отримання тонких плівок термічним і іонно-плазмовим розпиленням у вакуумі, механічна обробка пластин проводиться за 14-м класом чистоти з відхиленням від площинності не більше 1 мкм, широко застосовується ультразвук і лазерне випромінювання, використовуються відпал у кисні та водні, робочі температури для плавлення металів сягають понад 1500 °C, водночас дифузійні печі підтримують температуру з точністю 0,5 °C, широко застосовуються небезпечні хімічні елементи та сполуки (наприклад, білий фосфор).

Усе це обумовлює особливі вимоги до виробничої гігієни, так звану «електронну охайність», адже у робочій зоні обробки напівпровідникових пластин або на операціях складання кристала, не повинно бути більше п'яти порошинок розміром 0,5 мкм у 1 літрі повітря. Тож в чистих кімнатах на фабриках з виготовлення подібних виробів усі працівники зобов'язані носити особливі, виготовлені з металізованої тканини комбінезони, халати, фартухи, куртки з капюшонами і прилаштованими до них захисними окулярами. У рекламних матеріалах компанії Intel, спецодяг працівників отримав назву («костюм кролика»)Intel Museum — From Sand to Circuits.

Етапи технологічного процесу

Технологічний процес виробництва напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем (мікропроцесорів, модулів пам'яті та ін.) охоплює нижченаведені операції.

Механічну обробку напівпровідникових пластин — отримують пластини напівпровідника із суворо заданою геометрією, потрібної кристалографічної орієнтації (не гірше ± 5 %) і класом чистоти поверхні. Ці пластини надалі слугують заготовками у виробництві приладів або підкладками для нанесення епітаксійного шару. Хімічну обробку (попередню всім термічним операціями) — видалення механічно порушеного шару напівпровідника і очищення поверхні пластини. Основні способи хімічної обробки: рідинне і газове травлення, плазмохімічні методи. Для отримання на пластині рельєфу (профілізація поверхні) у вигляді виступів і западин певної геометрії, для витравлювання вікон у маскувальних покриттях, для прояву прихованого зображення в шарі експонованого фоторезисту, для видалення його заполімеризованих залишків, для отримання контактних майданчиків і розведення в шарі металізації, застосовують хімічну (електрохімічну) обробку. Епітаксіальне нарощування шару напівпровідника — осадження атомів напівпровідника на підкладку, внаслідок чого на ній утворюється шар, кристалічна структура якого подібна структурі підкладки. Водночас підкладка часто виконує лише завдання механічного носія. Отримання маскувального покриття — для захисту шару напівпровідника від проникнення домішок на наступних операціях легування. Найчастіше проводиться шляхом окиснення епітаксійного шару кремнію в середовищі кисню за високої температури. Фотолітографія — здійснюється для утворення рельєфу в діелектричній плівці. Введення електрично активних домішок у пластину для утворення окремих p- та n-областей — потрібно для створення електричних переходів, ізолювальних дільниць. Проводиться методом дифузії з твердих, рідких або газоподібних джерел; основними дифузантами у кремній є фосфор і бор.

Термічна дифузія — спрямоване переміщення частинок речовини в бік убування їх концентрації: визначається градієнтом концентрації. Часто застосовується для отримання введення легувальних домішок у напівпровідникові пластини (або вирощені на них епітаксіальні шари) для отримання протилежної, порівняно з вихідним матеріалом, типу провідності, або елементів із більш низьким електричним опором. Іонне легування (застосовується для виготовлення напівпровідникових приладів із великою щільністю переходів, сонячних батарей і ПВЧ-структур) визначається початковою кінетичною енергією іонів у напівпровіднику і виконується в два етапи: в напівпровідникову пластину на вакуумній установці вводять іони, робиться відпал за високої температури

У підсумку відновлюється порушена структура напівпровідника й іони домішки посідають вузли кристалічної решітки.

Отримання омічних контактів і створення пасивних елементів на пластині — за допомогою обробки фотолітографії в шарі оксиду, що покриває ділянки сформованих структур, над попередньо створеними дуже легованими областями n- або p-типу, які забезпечують низький перехідний опір контакту, розкривають вікна. Потім, шляхом вакуумного напилення, всю поверхню пластини покривають шаром металу (металізують), надлишок металу видаляють, залишивши його тільки на місцях контактних майданчиків і розводки. Отримані у такий спосіб контакти, для поліпшення адгезії матеріалу контакту до поверхні і зменшення перехідного опору, термічно обробляють (операція відпалу). У разі напилення на матеріал оксиду спеціальних сплавів, отримують пасивні тонкоплівкові елементи — резистори, конденсатори, індуктивності. Додавання додаткових шарів металу (у сучасних процесах — близько 10 шарів), між шарами розташовують діелектрик (, IMD) із наскрізними отворами. Пасивація поверхні пластини. Перед контролем кристалів треба очистити їх зовнішню поверхню від різних забруднень. Більш зручною (у технологічному плані) є очищення пластин безпосередньо після скрайбування або різання диском, поки вони ще не розділені на кристали. Це доцільно й через те, що крихти напівпровідникового матеріалу, утворені під час скрайбування або надрізання пластин, потенційно є причиною появи браку коли їх розмелюють на кристали з утворенням подряпин при металізації. Найчастіше пластини очищають у деіонізованій воді на установках гідромеханічного (щіткового) відмивання, а потім сушать на центрифузі, у термошафі за температури не більше 60 °C або інфрачервоним нагрівом. На очищеній пластині визначаються дефекти, що вносяться операцією скрайбування і подрібнення пластин на кристали, а також під час раніше проведених операцій — фотолітографії, окисленні, напилюванні, вимірі (відколи й мікротріщини на робочій поверхні, подряпини та інші ушкодження металізації, залишки оксиду на контактних майданчиках, різні залишкові забруднення у вигляді фоторезиста, лаку, маркувальної фарби тощо). Тестування нерозрізаної пластини. Зазвичай це випробування зондовими головками на установках автоматичного розбракування пластин. У мить торкання зондами розбраковуваних структур вимірюються електричні показники. Під час цього, маркуються браковані кристали які потім відкидаються. Лінійні розміри кристалів зазвичай не відстежують, оскільки їх висока точність забезпечується механічною та електрохімічною обробкою поверхні (товщина) і наступним скрайбуванням (довжина і ширина). Поділ пластин на кристали — механічно поділяє (розрізанням) пластину на окремі кристали. Збірка кристала і наступні операції монтажу кристала в корпус і герметизація — приєднання до кристалу виводів і подальше пакування в корпус, з подальшою його герметизацією. Електричні вимірювання та випробування — проводяться заради відбракування виробів, що мають невідповідні технічній документації параметри. Іноді навмисно випускаються мікросхеми з «відкритою» верхньою межею параметрів, що допускають згодом роботу в позаштатних для решти мікросхем режимах підвищеного навантаження (див., наприклад, Розгін комп'ютерів). Тестова структура — гетероструктура, утворена на напівпровідниковій пластині, що використовується під час тестового контролю мікросхем на виробництві. Завершальний технологічний цикл виготовлення пристрою — вельми важливе і складне завдання (так, для перевірки всіх комбінацій схеми, що складається з 20 елементів із 75 (сукупно) входами, при використанні пристрою, що працює за принципом функціонального контролю зі швидкістю 10 перевірок у секунду, буде потрібно 10 років). Маркування, нанесення захисного покриття, пакування — завершальні операції перед відвантаженням готового виробу кінцевому споживачеві.

Техпроцеси більше 100 нм

10 мкм

10 мкм = 10 000 нм — технологічний процес стосується рівня напівпровідникових технологій, який був досягнутий приблизно в 1971—1972 роках, провідними напівпровідниковими компаніями, як-от Intel. Intel 4004 ЦП — 1971 рік; Intel 8008 ЦП — 1972 рік.

6 мкм 6 мкм = 6000 нм — техпроцес, застосований компанією Zilog 1975 року в ЦП Zilog Z80.

3 мкм

3 мкм = 3000 нм — техпроцес, котрий відповідає рівню технології, досягнутому 1979 року в Intel. Відповідає лінійній роздільній здатності літографічного обладнання, приблизно рівній 3 мкм.

Intel 8085 — 1977 рік, було виготовлено з використанням 3,2 мкм техпроцесу. Intel 8086 — 1978 рік, техпроцес 3,2 мкм. Intel 8088 — 1979 рік, техпроцес 3,2 мкм .

1,5 мкм

1,5 мкм = 1500 нм — техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутому Intel 1982 року. Відповідає лінійній роздільній здатності літографічного обладнання, приблизно рівній 1,5 мкм.

Intel 80286 — 1982 рік.

1 мкм 1 мкм = 1000 нм — техпроцес сягає рівня напівпровідникової технології, який був досягнутий приблизно 1985 року провідними напівпровідниковими компаніями, як-от Intel і IBM. Intel 80386 — 1985 рік.

0,8 мкм

0,8 мкм = 800 нм — техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутому в кінці 1980-х — початку 1990-х років компаніями Intel і IBM.

Intel 80486 — 1989 рік. MicroSPARC I — 1992 рік. Перші Intel P5 Pentium на частотах 60 і 66 МГц — 1993 рік.

0,6 мкм

0,6 мкм = 600 нм — техпроцес, досягнутий виробничими потужностями компаніями Intel і IBM у 1994—1995 роках.

Intel 80486DX4 — 1994 рік. IBM / Motorola PowerPC 601, перший чип архітектури PowerPC. Intel Pentium на частотах 75, 90 і 100 МГц. МЦСТ-R100 — 1998, 0,5 мкм, 50 МГц.

0,35 мкм

350 нм — техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутому 1997 року провідними компаніями-виробниками мікросхем, як-от Intel, IBM, і TSMC. Стосується лінійної роздільної здатності літографічного обладнання, приблизно рівної 0,35 мкм.

Intel Pentium MMX (P55) Intel Pentium Pro Pentium II (Klamath) МЦСТ-R150 — 2001, 150 МГц.

0,25 мкм