Principaux équipements et stocks de matériaux dans le processus de fabrication des semi-conducteurs
Le processus de fabrication des produits semi-conducteurs comprend principalement la production des plaquettes (Front End), le conditionnement (Back End) et les tests. Avec la diffusion des technologies de conditionnement avancées, une étape intermédiaire (Middle End) s'est instaurée entre la production des plaquettes et le conditionnement. La complexité du processus de fabrication des produits semi-conducteurs requiert un grand nombre d'équipements et de matériaux.
Les lignes de production de plaquettes peuvent être divisées en sept zones de production distinctes : traitement thermique, photolithographie, gravure, implantation ionique, dépôt de couches minces, polissage chimico-mécanique (CMP) et métallisation. Ces sept zones principales, ainsi que les étapes et mesures associées, sont réalisées en salle blanche. Différents dispositifs semi-conducteurs sont installés dans ces zones de production afin de répondre aux divers besoins.
processus d'emballage traditionnel
Le processus de test traditionnel des boîtiers (dos à dos) se divise en huit étapes principales : amincissement du dos, découpe de la plaquette, application de patchs, collage des conducteurs, moulage, métallisation, nervurage/moulage et test final. Comparé à la fabrication de plaquettes de circuits intégrés (canal avant), le conditionnement par le dos est relativement simple, peu complexe techniquement et ses exigences en matière d’environnement, d’équipements et de matériaux sont bien moindres.
Le processus de test traditionnel des boîtiers (dos à dos) se divise en huit étapes principales : amincissement du dos, découpe de la plaquette, application de patchs, collage des conducteurs, moulage, métallisation, nervurage/moulage et test final. Comparé à la fabrication de plaquettes de circuits intégrés (canal avant), le conditionnement par le dos est relativement simple, peu complexe techniquement et ses exigences en matière d’environnement, d’équipements et de matériaux sont bien moindres.
Le procédé de fabrication des semi-conducteurs est essentiel à la réalisation des circuits intégrés et constitue la base de leur conception. Actuellement, le procédé planaire reste le procédé dominant pour la production de dispositifs semi-conducteurs et de circuits intégrés. La fabrication de circuits intégrés consiste à effectuer une série d'opérations chimiques ou physiques complexes sur des plaquettes de silicium. En termes simples, ces opérations peuvent être regroupées en quatre catégories principales : la production de couches minces, la gravure (structuration), la gravure chimique et le dopage. Ces technologies de fabrication de transistors et de traitement des interconnexions sur une seule puce constituent les procédés de fabrication des semi-conducteurs.
1. Procédé de lithographie
La lithographie est un procédé permettant d'enlever une portion spécifique d'une fine couche déposée sur la surface d'une plaquette de silicium, grâce à une série d'étapes de production. Il en résulte une fine couche présentant une structure micrographique. La partie enlevée peut prendre la forme d'un trou ou d'un îlot. L'objectif de la lithographie est de produire des motifs aux dimensions précises, conformes aux exigences de la conception du circuit, correctement positionnés sur la plaquette et correctement associés aux autres composants. La photolithographie permet de fixer la dernière partie du motif sur la plaquette. Ce procédé, parfois appelé photomasquage, masquage, photolithographie ou microlithographie, est l'étape la plus critique de la fabrication des semi-conducteurs. Des erreurs lors de la lithographie peuvent entraîner des distorsions graphiques ou un mauvais alignement, ce qui peut affecter les caractéristiques électriques du dispositif.
2. Procédé de dopage
Le dopage consiste à introduire une quantité spécifique d'impuretés à la surface d'une plaquette de silicium par l'intermédiaire d'une ouverture dans le film. Il peut être réalisé de deux manières : par diffusion thermique et par implantation ionique. La diffusion thermique est une réaction chimique qui se produit à haute température (environ 1 000 °C) lorsque la plaquette est exposée à un gaz contenant l'élément dopant. Dans les applications sur puce, on parle également de diffusion à l'état solide, car le matériau de la plaquette est solide. La diffusion thermique est un processus de réaction chimique. L'implantation ionique, quant à elle, est un processus de réaction physique. La plaquette est placée à une extrémité de l'implanteur ionique, et la source d'ions dopants (généralement gazeuse) à l'autre extrémité. À l'une des extrémités de la source d'ions, les atomes dopants sont ionisés (chargés électriquement) et propulsés à très grande vitesse par un champ électrique, traversant ainsi la surface de la plaquette. L'énergie cinétique des atomes propulse les atomes dopants dans la surface de la plaquette, à la manière d'une balle traversant un mur. Le dopage a pour but de créer, à la surface de la plaquette, une zone riche en électrons (type N) ou en trous (type P). Ces zones forment la jonction PN électriquement active, indispensable au fonctionnement des transistors, diodes, condensateurs et résistances du circuit.
3. Processus de croissance membranaire
De nombreuses couches minces, isolantes, semi-conductrices ou conductrices, sont formées à la surface des plaquettes. Composées de différents matériaux, elles sont élaborées ou déposées par divers procédés. Les principales technologies de ce procédé sont la croissance de couches de silice et le dépôt de couches de différents matériaux. Parmi les techniques de dépôt courantes, on trouve le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), l'évaporation et la pulvérisation cathodique.
4. Procédé de traitement thermique
Le traitement thermique consiste à chauffer et refroidir des plaquettes pour obtenir un résultat précis. Ce procédé n'implique aucun ajout ni retrait de substance, et permet l'évaporation de certains contaminants et de la vapeur d'eau. Après l'implantation ionique, un traitement thermique important est nécessaire. Ce traitement, appelé recuit, répare les dommages causés par l'injection d'atomes dopants à une température généralement d'environ 1000 °C. De plus, après la fabrication de pistes métalliques sur la plaquette, un traitement thermique est également requis. Ces pistes conduisent le courant entre les différents composants du circuit. Afin de garantir une bonne conductivité électrique, le métal est solidement fixé à la surface de la plaquette après un traitement thermique à 450 °C. Enfin, le traitement thermique permet également de vaporiser le solvant en chauffant la résine photosensible à la surface de la plaquette, afin d'obtenir des motifs précis.
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