Produkcja chipów dzięki specjalistycznym chemikaliom

• Strona główna
• Artykuły
• Produkcja chipów dzięki specjalistycznym chemikaliom

2024-08-27

W ocenie firmy Wacker, bez polikrystalicznego krzemu digitalizacja byłaby nie do pomyślenia. Lśniący i srebrzysty w wyglądzie polisilikon należy do najczystszych materiałów syntetycznych i jest najważniejszym surowcem wymaganym w przemyśle półprzewodnikowym. Obecnie prawie jeden na dwa mikrochipy jest produkowany przy użyciu polisilikonu.

- Aby przekształcić płytkę krzemową w gotowy do użycia mikrochip, konieczne jest wykonanie kilkuset kroków. Produkcja może trwać wiele miesięcy i wymaga niezwykle wymagających procesów technicznych oraz wysoce złożonego sprzętu. Oczywiste jest, że budowa zakładu produkcyjnego mikrochipów jest kosztownym przedsięwzięciem. Aby mieć pewność, że inwestycja się zwróci, producenci muszą dołożyć wszelkich starań, aby osiągnąć jak największą wolumen produkcji operacyjnych mikrochipów. To jednak nie wszystko. Sprawy stają się trudniejsze, ponieważ prawidłowe funkcjonowanie elementów półprzewodnikowych można zweryfikować dopiero na końcu procesu produkcyjnego. Nic więc dziwnego, że przemysł mikroprocesorów stawia najwyższe wymagania co do jakości dostarczanych surowców i chemikaliów procesowych oraz ściśle monitoruje niezawodność swoich dostawców. Prawie jeden na dwa mikroprocesory są produkowane z polikrzemu dostarczanego przez Wacker. Produkcja mikroprocesorów zaczyna się od wafli krzemowych o wysokiej czystości. W prawie każdym przypadku polikrystaliczny krzem, czyli polikrzem, jest surowcem wymaganym do produkcji tych wafli. wacker jest jedynym producentem polikrzemu klasy półprzewodnikowej w Europie. W rzeczywistości jesteśmy też światowym liderem pod względem ilości, jakości i czystości materiałów. Niewielu jednak zdaje sobie sprawę, że oprócz polikrzemu o wysokiej czystości Wacker produkuje również specjalistyczne chemikalia, które są niezbędne w produkcji chipów komputerowych. Na przykład silany służą do rozpraszania i osadzania warstw krzemu lub izolacji na powierzchni wafli. Pirogeniczna krzemionka służy do polerowania i wyrównywania nałożonych warstw. A jeśli chodzi o czyszczenie komór metalizacji, to chlorowodór, czyli kolejny produkt firmy Wacker, jest wprost niezastąpiony - tłumaczą eksperci niemieckiej firmy.

Wszystkie środki chemiczne do elektroniki muszą być precyzyjnie dostosowane do procesów i wymagań przemysłu półprzewodnikowego. W celu ciągłego monitorowania produkcji tych środków chemicznych wdraża się statystyczne kontrole procesów. Czystość produktów musi zawsze mieścić się w bardzo wąskim zakresie tolerancji, który jest określany w konsultacji z producentem mikroprocesora. Niezbędny jest również rygorystyczny proces zarządzania ryzykiem, aby zapewnić, że jakość produktu jest zawsze spójna, nawet jeśli podczas produkcji występują odchylenia w określonych parametrach procesu, takich jak temperatura lub ciśnienie, lub w przypadku zmian na liniach produkcyjnych.

Większość produktów wstępnych wymaganych do takich środków chemicznych jest produkowana przez firmę Wacker. Dzięki temu jest ona mniej zależna od zewnętrznych dostawców. Co więcej, jej wewnętrzni eksperci są w stanie precyzyjnie wykryć i określić ilościowo nawet najmniejsze ślady zanieczyszczeń.

Struktury przewodzące prąd elektryczny na mikroprocesorach są rozdzielone ultracienkimi warstwami izolacyjnymi o grubości zaledwie kilku nanometrów. Aby zapobiec wyładowaniom zakłócającym i uszkodzeniom układu scalonego, warstwy izolacyjne muszą być hiperczyste i mieć równomierną grubość na całej długości.

- W produkcji chipów warstwy izolacyjne są tworzone w procesie, który eksperci nazywają plazmowym osadzaniem z fazy gazowej wspomaganym chemicznie (PECVD). Ta metoda powlekania wykorzystuje plazmę do podgrzania wafla w warunkach czystego pomieszczenia do temperatury od 500 °C do 1200 °C. Następnie na podgrzaną powierzchnię wafla podawany jest silan, gdzie jest on osadzany w reakcji chemicznej, aby uzyskać stałą warstwę izolacyjną. Aby zwiększyć wydajność, producenci chcą jak najszybszego osadzania. Jednak przy krótkim czasie nagrzewania i wysokich temperaturach wafle są narażone na naprężenia. Może to prowadzić do wadliwej struktury krystalicznej krzemu, a w konsekwencji do odrzutów. Aby mieć pewność, że tak się nie stanie, producenci mikrochipów potrzebują silanu, który umożliwia jak najszybsze osadzanie w umiarkowanie wysokiej temperaturze. W tym miejscu specjalistyczne silany firmy Wacker odgrywają kluczową rolę. Dzięki tetraetoksysilanowi (TEOS) dostarczamy odpowiedni silan do produkcji warstwy amorficznej krzemionki przypominającej szkło kwarcowe. Stanowi to dobry kompromis między zamierzonymi wysokimi wskaźnikami osadzania a wymogiem unikania odrzutów. Obecnie specjalistyczne silany firmy Wacker są materiałem, po który sięga wielu producentów, którzy doceniają niezmiennie wysoką jakość naszych produktów. Dzięki naszym statystycznym kontrolom procesu możemy również zagwarantować minimalny średni poziom czystości wynoszący na poziomie 99,995%. W praktyce jednak jesteśmy w stanie osiągnąć poziom czystości wynoszący 99,999% dzięki naszemu procesowi produkcyjnemu. W efekcie jesteśmy liderem jakości i jednym z najważniejszych dostawców tego niezbędnego środka chemicznego na świecie - komentuje Alena Kalyakina, Business Development Manager w firmie Wacker.

Proces chemicznego osadzania z fazy gazowej powoduje osadzanie się ciał stałych na ściankach komory procesowej. Z czasem osadzanie się ciał stałych zwiększa się do takiego stopnia, że cząstki mogą łatwo odpadać i osiadać na powierzchni płytki. W rezultacie chipy wytworzone z takich płytek są bezużyteczne.

- Aby temu zapobiec, konieczne jest regularne czyszczenie komory procesowej. W tym celu producenci uciekają się do gazu chlorowodorowego, który wytrawia osady ze ścianek komory. Nie trzeba dodawać, że stosowany chlorowodór powinien być hiperczysty, aby zapobiec osadzaniu się nowych zanieczyszczeń na ściankach komory, a następnie ich odpadaniu i osiadaniu na płytkach. SEMICOSIL® HCl 5,5 firmy Wacker to chlorowodorek o czystości 99,999%. Oznacza to, że przewyższamy obecne wymagania producentów mikroprocesorów dotyczące czystości i jesteśmy w idealnej pozycji, aby sprostać wyzwaniom ciągle zmieniającego się rynku” — wyjaśnia Sigrid Rothenhäusler, kierownik ds. rozwoju biznesu w firmie Wacker.

Wacker wykorzystuje też sól kamienną z własnej kopalni do produkcji chlorowodorku. Skład i czystość wydobywanej tam soli są szczególnie odpowiednie do produkcji tego hiperczystego gazu.

- Przed nałożeniem struktur na mikroprocesor należy zadbać o to, aby powierzchnia wafla była absolutnie płaska i gładka przed osadzeniem silanu na kolejnej warstwie. Producenci mikroprocesorów osiągają to poprzez polerowanie na gładko najwyższej warstwy, aby wyeliminować wszelkie nierówności. Osiąga się to z dużą precyzją poprzez wdrożenie procesu znanego jako polerowanie chemiczno-mechaniczne, który łączy ścieranie mechaniczne z trawieniem chemicznym. Pirogeniczna krzemionka jest tu po prostu idealna do polerowania chemiczno-mechanicznego. Podobnie jak granulki w peelingu do twarzy, flokulujący proszek usuwa nadmiar materiału. Zawiesiny polerujące zawierające nasz produkt są bardziej ścierne niż krzemionka koloidalna, która jest często stosowana w przemyśle półprzewodnikowym. Jest to szczególnie korzystne dla producentów chipów, którzy chcą osiągnąć wysoki poziom ścierania materiału. Oprócz wysokiego stopnia czystości, wąski rozkład wielkości cząstek ściernych jest wyjątkową właściwością krzemionki pirogenicznej produkowanej przez Wacker. Cały proces produkcyjny jest kontrolowany, aby zapewnić, że nie powstają żadne duże cząsteczki. Można być absolutnie pewnym, że w wyniku polerowania nie powstaną żadne zarysowania - opowiada Arne Meier, Senior Business Development Manager koncernu Wacker.

Eksperci firmy dodają przy tym, iż każda nowa generacja urządzeń cyfrowych ma tendencję do wyświetlania wyższych częstotliwości przełączania i mniejszych komponentów. Bez zwiększania rozmiaru takie urządzenia stają się szybsze i wydajniejsze. Jest to możliwe dzięki postępom obejmującym miniaturyzację komponentów, z których składa się chip. Jednocześnie rozwój ten staje się bardziej skomplikowany, gdy przechodzimy do następnej generacji. Dzisiejsze mikrochipy mają ponad sto warstw nałożonych na siebie. Reguły projektowania pięciu nanometrów – dziesięć tysięcy razy cieńszych niż ludzki włos – są już standardową praktyką. Tak niewielkie wymiary stopniowo popychają producentów mikroprocesorów do granic możliwości fizycznych.

- Sprawy stają się trudniejsze, gdy na przykład połączenia na mikroprocesorze i warstwy izolacyjne są nadal gęściej upakowane niż kiedykolwiek. Wysokie częstotliwości przełączania prowadzą do intensywnego przyspieszenia ładunków elektrycznych w połączeniach, przez co powstają stosunkowo silne pola elektryczne. W obszarze między połączeniami pola elektryczne zakłócają się wzajemnie, a tym samym spowalniają ładunki. Im cieńsza warstwa izolacyjna i im wyższa częstotliwość, tym większe spowolnienie. W skrajnych przypadkach ładunki nie docierają do zamierzonego miejsca przeznaczenia na czas i układ ulega awarii. Materiały izolacyjne o niższej stałej dielektrycznej, oznaczane jako „k” w przemyśle półprzewodnikowym, oferują realne rozwiązanie. WACKER zobowiązuje się do opracowywania silanów, które umożliwiają osadzanie materiałów o szczególnie niskich stałych dielektrycznych. Silany te mogą odegrać kluczową rolę w jutrzejszym przemyśle półprzewodnikowym. Wacker jest już na końcowym etapie opracowywania takich materiałów o ultraniskiej temperaturze k. Te silany będą naszym wkładem w urzeczywistnienie najnowszej generacji chipów komputerowych - podsumowuje Arne Meier.

Wacker Chemieelektronikakrzemsilikonsilanytechnologia