Procédés et équipements pour semi-conducteurs : procédés et équipements de gravure
Une fois le schéma du circuit imprimé lithographié sur la plaquette, un procédé de gravure est utilisé pour éliminer la couche d'oxyde excédentaire, révélant ainsi le circuit semi-conducteur. La gravure, généralement réalisée à l'aide de solutions chimiques, de gaz et/ou de plasma, permet d'éliminer sélectivement la matière excédentaire. tL'avantage de la gravure chimique réside dans le faible coût de fabrication des échantillons et sa compatibilité avec la quasi-totalité des métaux industriels courants. La dureté des métaux n'est pas un facteur limitant. La conception est rapide, simple et efficace.
Il existe deux principales méthodes de gravure, selon la substance utilisée : la gravure chimique humide, qui utilise une solution chimique spécifique pour provoquer une réaction chimique et éliminer la couche d’oxyde, et la gravure sèche, qui utilise un gaz (et/ou) un plasma. La gravure sèche se divise en gravure ionique réactive (RIE), gravure par pulvérisation cathodique et gravure en phase gazeuse. Nous décrivons ci-dessous en détail le procédé et l’équipement nécessaires pour chaque méthode de gravure :
I, Procédé de gravure humide
L'élimination par gravure chimique du film d'oxyde présente l'avantage d'un faible coût, d'une vitesse de gravure rapide et d'une productivité élevée. Cependant, la gravure chimique étant isotrope (la vitesse est la même dans toutes les directions), le masque (ou film sensible) n'est pas parfaitement aligné avec le film d'oxyde gravé, ce qui rend difficile la réalisation de schémas de circuits très fins.
L'avantage de la gravure chimique humide réside dans son faible coût et sa capacité à être produite en série. Elle permet de graver simultanément de nombreuses portions de plaquette. De ce fait, la gravure chimique humide conserve un rôle important dans le nettoyage des grands dispositifs MES et des couches non critiques. Elle est notamment plus efficace et économique que la gravure chimique sèche.notamment pour le décapage des résidus d'oxyde et le décapage cutané.
Les principaux matériaux traités par gravure chimique humide sont l'oxyde de silicium, le nitrure de silicium, le silicium monocristallin et le silicium polycristallin. L'acide fluorhydrique (HF) est généralement utilisé comme principal agent de gravure chimique humide pour l'oxyde de silicium. Afin d'améliorer la sélectivité, on utilise une solution diluée d'acide fluorhydrique tamponnée au fluorure d'ammonium. Pour maintenir un pH stable, on peut ajouter de faibles quantités d'acides forts ou d'autres éléments. L'oxyde de silicium dopé est plus sensible à la corrosion que l'oxyde de silicium pur. Le décapage chimique humide est principalement utilisé pour éliminer la résine photosensible et le masque dur (nitrure de silicium). La phosphatase alcaline thermostable (H₃PO₄) est le principal agent de décapage chimique humide utilisé pour éliminer le nitrure de silicium ; elle présente une meilleure sélectivité pour l'oxyde de silicium.
II, équipement de gravure humide
Les équipements de traitement par voie humide peuvent être divisés en trois catégories :
1. Équipement de nettoyage de plaquettes, les objets cibles du nettoyage comprennent les particules, les matières organiques, la couche d'oxyde naturel, les impuretés métalliques des polluants ;
2. Équipement de brossage de plaquettes, dont le but principal est d'éliminer les particules de la surface de la plaquette ;
3. Équipement de gravure de plaquettes, principalement utilisé pour éliminer les couches minces. Selon les différentes applications du procédé, on distingue deux types d'équipements de gravure de plaquettes :
A) Équipement de gravure lumineuse, principalement utilisé pour éliminer les dommages causés au film de surface par l'implantation d'ions à haute énergie ;
B) Dispositif d'élimination de couche sacrificielle, principalement utilisé pour l'élimination de la couche barrière après amincissement de la plaquette ou polissage chimico-mécanique.
Du point de vue de la structure globale de la machine, l'architecture de base de tous les types d'équipements de traitement humide de plaquettes est similaire, généralement composée du châssis principal, du système de transmission des plaquettes, du module de cavité, du module de transmission d'alimentation en liquide chimique, du système logiciel et du module de commande électrique, soit 6 parties.
III, gravure à sec
La gravure sèche, grâce à sa bonne directivité, son rapport gazeux et son alimentation RF, permet également un contrôle plus précis ; dans le processus de fabrication de puces le plus courant, plus de 90 % des gravures de puces sont réalisées par méthode sèche.
La gravure sèche peut être divisée en trois types différents : la gravure chimique, la pulvérisation physique et la gravure ionique.
1. Gravure chimique : La gravure chimique est un procédé qui utilise des réactions chimiques pour enlever la surface d'un matériau. Elle emploie des gaz de gravure (principalement du fluorure d'hydrogène). Comme la gravure chimique classique, cette méthode est isotrope, ce qui la rend également inadaptée à la gravure fine.
2, Ppulvérisation physique epicotement
La gravure physique consiste à utiliser une décharge luminescente pour ioniser un gaz, tel que l'argon, en ions chargés positivement, puis à polariser ces ions pour les accélérer, les projeter sur la surface de l'objet à graver, et l'atome gravé est heurté, pulvérisé ; le processus est un transfert d'énergie entièrement physique.
La pulvérisation cathodique physique présente une excellente directivité et permet d'obtenir un profil de gravure quasi vertical. Cependant, comme les ions sont pulvérisés de manière complète et uniforme sur la puce, la résine photosensible et le matériau à graver sont gravés simultanément, ce qui engendre un faible taux de sélection de la gravure. De plus, la plupart des substances éjectées sont non volatiles et ont tendance à se déposer sur la surface et les parois latérales du film gravé. C'est pourquoi, dans la fabrication de circuits intégrés à très grande échelle (VLSI), les méthodes de gravure sèche entièrement physiques sont rarement utilisées.
3, RIE :Gravure ionique réactive
La gravure ionique réactive (RIE) combine les deux premières méthodes : l’utilisation du plasma pour la gravure physique ionisante et l’exploitation des radicaux libres générés après activation du plasma pour la gravure chimique. Outre sa rapidité de gravure supérieure aux deux méthodes précédentes, la RIE tire parti de l’anisotropie ionique pour obtenir une gravure de motifs de haute précision.
4. Équipement de gravure sèche
Selon le matériau à graver, la gravure se divise principalement en gravure du silicium, gravure de milieux polymères et gravure des métaux.
Il existe un écart important entre les machines de gravure utilisées pour différents matériaux. Les méthodes de génération de plasma des graveurs à sec comprennent le couplage capacitif (CCP) et le couplage inductif (ICP). Du fait de leurs caractéristiques techniques différentes, ces deux méthodes se distinguent également dans leurs applications. La technologie CCP offre une énergie élevée mais une faible flexibilité de réglage, ce qui la rend adaptée à la gravure de matériaux diélectriques durs (y compris les métaux). La technologie ICP, quant à elle, offre une faible énergie mais une grande précision de contrôle, et convient à la gravure du silicium monocristallin, du polysilicium de faible dureté ou de matériaux minces.
Le marché mondial des machines de gravure compte relativement peu d'acteurs et se caractérise par un modèle oligopolistique. Parmi les principaux acteurs figurent Lam Research (Pan-Forest Semiconductor) et AMAT (Applied Materials) aux États-Unis, ainsi que TEL (Tokyo Electronics) au Japon. Ces trois entreprises détiennent 94 % des parts de marché mondiales des graveurs de semi-conducteurs, tandis que les autres acteurs, réunis, n'en représentent que 6 %. Lam Research, avec 55 %, domine largement le secteur. Tokyo Electronics et Applied Materials détiennent respectivement 20 % et 19 % du marché.
Du point de vue du marché national des machines de gravure, Lam Research conserve une position de leader incontestée. On observe également une croissance et une progression notables de certains fabricants de machines de gravure nationaux. Fountyl Technologies PTE Ltd, spécialisée dans l'industrie de la fabrication de semi-conducteurs, propose les produits suivants : mandrins à broches, mandrins en céramique poreuse, effecteurs en céramique, poutres carrées en céramique et broches en céramique. N'hésitez pas à nous contacter pour toute discussion !