Ce poți găti din calmar: rapid și gustos

Principalele procese tehnologice utilizate în fabricarea circuitelor integrate semiconductoare sunt oxidarea, fotolitografia, difuzia, epitaxia și dopajul ionic.

Oxidarea siliciului. Acest proces este important în tehnologia de fabricație a circuitelor integrate semiconductoare. Dioxidul de siliciu Si02 este un oxid sticlos având aceeași compoziție chimică ca sticlă de cuarț. Acești oxizi sunt buni izolatori pentru elementele de circuit individuale, servesc ca o mască care împiedică pătrunderea impurităților în timpul difuziei și sunt utilizați pentru a proteja suprafața și a crea elemente dielectrice active (de exemplu, în tranzistoarele MOS). Ele formează o acoperire uniformă și continuă pe suprafața de siliciu, care este ușor de gravat și îndepărtat din zonele locale. Reoxidarea oferă protecție P-N-tranziţia de la influenţele mediului. Coeficienții de dilatare termică ai siliciului și dioxidului de siliciu sunt apropiați. Dioxidul de siliciu are o aderență bună și se formează relativ ușor pe suprafața plachetei.

În funcție de metoda de producție, se disting oxizii termici și anodici.

Oxizii termici sunt produși prin reacții accelerate de căldură ale siliciului cu oxigenul și alte substanțe care conțin oxigen. Astfel de oxizi au o grosime de ~1 µm și au o densitate mare.

Metoda de oxidare termică are două variante:

1) oxidare la temperatură ridicată într-un flux de oxigen uscat și gaze umidificate;

2) oxidare în vapori de apă la presiune mare (până la 50 MPa), la temperaturi relativ scăzute (5OO...900°C).

Oxidare într-un curent de gaze umidificate efectuat conform Fig. 1.8. Vaferele de siliciu sunt plasate într-un tub de cuarț, unde temperatura este setată la 1100°C. Un capăt al conductei este conectat la un umidificator (apă deionizată), prin care trece gaz (argon, azot etc.). Când umidificatorul este oprit, oxigenul uscat curge direct în tubul de cuarț. Oxidarea se realizează în următoarea succesiune: expunere preliminară în oxigen uscat (~15 min); oxidare pe termen lung în oxigen umed (2 ore) și oxidare finală în oxigen uscat. Prima operație produce o peliculă durabilă de grosime mică. Tratamentul termic într-un mediu umed cu oxigen asigură o creștere rapidă a filmului (până la 1 micron), dar densitatea acestuia este insuficientă. Tratarea ulterioară cu oxigen uscat duce la compactarea filmului și la îmbunătățirea structurii sale.

Grosimea de oxid cel mai frecvent utilizată este zecimi de micrometru, iar limita superioară a grosimii este de 1 micron. Adăugarea de componente care conțin clor în mediul oxidat crește rata de oxidare și crește tensiunea de defalcare. Rolul principal al clorului este de a transforma atomii de impurități (potasiu, sodiu etc.) găsiți accidental în dioxidul de siliciu în cei inactivi electric.

Oxidarea siliciului în vapori de apă la presiune înaltă efectuat într-o cameră a cărei suprafață interioară este acoperită cu aur sau alt metal inert pentru a evita reacțiile nedorite. În cameră sunt plasate plachete de siliciu și o anumită cantitate de apă de înaltă puritate, care este încălzită la temperatura de oxidare (500...800°C). Grosimea filmului depinde de durata oxidării, presiunea și concentrația vaporilor de apă.

Calitatea filmului de oxid este afectată de curățenia volumului de lucru în care se desfășoară procesul. Pătrunderea chiar și a unei cantități nesemnificative de atomi de impurități poate schimba semnificativ proprietățile materialului piesei originale. Cele mai dăunătoare efecte sunt cauzate de impuritățile de cupru, al căror coeficient de difuzie în siliciu este foarte mare.

Mare valoare are curățarea pre-oxidativă a siliciului de contaminanți, ducând la discontinuități în pelicule. Avantajul oxidării la presiune înaltă este capacitatea de a reduce temperatura procesului fără a crește durata.

Oxidare anodica siliciul are două modificări: oxidarea într-un electrolit lichid și în plasmă gazoasă. Procesul de oxidare anodică face posibilă obținerea de filme de oxid la temperaturi mai scăzute, ceea ce limitează redistribuirea impurităților în regiunile de difuzie preformate.

Pentru a crea izolație interstrat, procesul de oxidare nu este utilizat, iar straturile dielectrice sunt obținute prin depunere.

Filmele de dioxid de siliciu ca straturi de protecție au următoarele dezavantaje: 1) porozitatea structurii, ceea ce duce la posibilitatea pătrunderii vaporilor de apă și a unor impurități la suprafața originală de siliciu; 2) capacitatea atomilor unui număr de elemente de a migra printr-o peliculă de dioxid de siliciu, ceea ce duce la instabilitatea caracteristicilor dispozitivelor semiconductoare.

Fotolitografie. Fotolitografia este procesul de formare a unei imagini fotorezistente a topologiei circuitului pe suprafața unui dioxid de substrat și apoi transferarea acesteia pe substrat. Structura sa coincide cu metodele utilizate în formarea conductorilor plăcilor de circuite imprimate. Acest proces are însă specificul său, datorită cerințelor de înaltă rezoluție și a cerințelor sporite pentru calitatea materialelor folosite și curățenia mediului.

Fotorezistele sunt pelicule subțiri de soluții organice, care trebuie să aibă proprietățile, după expunerea la lumină ultravioletă, de a polimeriza și de a deveni insolubile. Principalele cerințe pentru fotorezistele sunt rezoluția înaltă, fotosensibilitatea, rezistența la agenți de decapare și diverse soluții chimice și o bună aderență la suprafața produsului.

Rezoluția unui fotorezist se referă la numărul de linii care pot fi aplicate pe un milimetru al suprafeței plăcii, cu o distanță între ele egală cu lățimea lor. Rezoluția depinde de tipul de fotorezist și de grosimea stratului. Cu straturi subțiri este mai mare decât cu cele groase.

Pe baza metodei de formare a modelului, fotorezistele sunt împărțite în negative și pozitive (Fig. 1.9).

Zonele de fotorezist negativ situate sub zonele transparente ale măștii foto, sub influența luminii ultraviolete, capătă proprietatea de a nu se dizolva în timpul dezvoltării. Zonele de fotorezist situate sub zonele opace ale măștii foto pot fi îndepărtate cu ușurință atunci când sunt dezvoltate într-un solvent. În acest fel este creat; relief, care este o imagine a elementelor ușoare ale unei fotomască (Fig. 1.9, a).

Fotorezistele negative sunt fabricate din alcool polivinilic. Sunt utilizate pe scară largă datorită absenței componentelor toxice, rezoluției acceptabile (până la 50 de linii/mm), ușurinței de dezvoltare și costului redus. Dezavantajul este imposibilitatea depozitării semifabricatelor cu un strat aplicat mai mult de 3...5 ore, deoarece acesta din urmă este bronzat chiar și pe întuneric. În plus, odată cu scăderea umidității și a temperaturii ambiante, cel rezistenta mecanica stratul fotosensibil și aderența acestuia la suprafață.

Fotorezistul pozitiv, atunci când este expus la iradiere, își schimbă proprietățile în așa fel încât atunci când este procesat în dezvoltatori, zonele sale iradiate se dizolvă, iar zonele neiradiate (situate sub zonele opace ale măștii foto) rămân pe suprafața plăcii (Fig. 1.9, b).

Pentru fotorezistele pozitive, se folosesc materiale pe bază de compuși diazo, care constau dintr-o bază polimerică fotosensibilă (rășină novolac), un solvent și alte componente. În ceea ce privește aderența și rezoluția, acestea sunt superioare fotorezistenților negativi, dar au mai multe cost ridicatși conțin solvenți toxici. Rezoluția fotorezistenților pozitivi este de până la 350 de linii/mm. Avantajul fotorezistului pozitiv este absența bronzării în timpul depozitării pieselor de prelucrat cu un strat fotosensibil aplicat.

În procesul tehnologic de producere a circuitului integrat, se folosesc fotoreziste lichide și uscate.

Fotorezistele lichide sunt aplicate prin imersare (imersie), turnare cu centrifugare, rulare cu o rolă cu nervuri și alte metode.

Fotorezistele uscate, care au devenit mai răspândite datorită capacității lor de fabricație mai mari și ușurinței de utilizare, sunt o structură subțire de trei straturi: o peliculă transparentă optic (de obicei polietilen tereftalat), un polimer fotosensibil și un film protector Mylar. Se aplică la temperaturi ridicate cu îndepărtarea preliminară a stratului protector și lipirea fotorezistului. După ce imaginea este expusă, filmul optic este îndepărtat și imaginea apare în apă. În acest caz, zonele neexpuse ale imaginii sunt eliminate.

Fotorezistele pozitive oferă o rezoluție înaltă a designului circuitului. Cu toate acestea, avantajele lor nu exclud posibilitatea de a utiliza fotorezistențe negative, care au o rezistență mai mare la acizi și o dezvoltare ușoară.

Principalele etape ale procesului de fotolitografie la implementarea tipăririi prin contact sunt prezentate în Fig. 1.10.

Pregătirea suprafeței substratului (Fig. 1.10a) afectează semnificativ aderența fotorezistului. Acesta din urmă trebuie aplicat imediat după oxidarea plăcii fără tratamente suplimentare de suprafață. Dacă substraturile sunt depozitate mai mult de o oră, atunci tratamentul termic se efectuează în oxigen uscat sau azot la t = 1000°C timp de câteva minute. Elimină hidrofilitatea suprafeței substratului.

Fotorezistul se aplică prin centrifugare (Fig. 1.10.6). Grosimea optimă a stratului de fotorezist este în intervalul 0,3... 0,8 microni. La o grosime a stratului mai mică de 0,2 microni, probabilitatea de perforare crește brusc, iar la grosimi mai mari de 1 micron, rezoluția procesului scade, ceea ce face imposibilă obținerea de elemente cu dimensiuni mici.

La aplicarea fotorezistului, este necesar să se asigure uniformitatea stratului (absența porilor, particule străine etc.) și grosimea uniformă a acestuia. Uniformitatea stratului depinde de puritatea fotorezistului original, de puritatea mediului, de moduri și de metoda de uscare. Uniformitatea grosimii stratului depinde de vâscozitatea fotorezistului și de modurile de aplicare ale acestuia. Neuniformitatea stratului în grosime este cauza deteriorării, în contrast, datorită aderenței incomplete a fotomăștii la fotostratul în timpul expunerii.

Îndepărtarea solventului din stratul de fotorezist pentru a forma o peliculă puternică și uniformă se efectuează prin uscare la t = 18... 20 ° C timp de 15... 30 de minute, iar apoi la t = 90 ... 100 ° C pentru 30 de minute.

Transferul unei imagini de la o fotomască pe o placă acoperită cu un strat de fotorezist se realizează prin expunere (Fig. 1.10, c). Dacă procesul de fotolitografie se repetă, atunci este necesar să combinați modelul obținut anterior cu modelul de pe fotomască. Precizia de aliniere este de 0,25... 0,5 microni. Lămpile Xeon și mercur-cuarț sunt folosite ca sursă de lumină.

Calitatea transferului este afectată semnificativ de fenomenele de difracție care apar atunci când există goluri între șablon și placă. Golurile apar din cauza lipsei de planeitate a substratului, ajungând la 20 de microni. Calitatea transferului de imagine de la fotomască la stratul de fotorezist poate fi evaluată numai după dezvoltare.

Dezvoltarea unei imagini latente (Fig. 1.10d) într-un fotorezistent negativ constă în îndepărtarea zonelor care se aflau sub zonele întunecate ale măștii foto. În cazul fotorezistului pozitiv, zonele iradiate sunt îndepărtate. Fotorezistele negative sunt dezvoltate în solvenți organici (tricloretilenă etc.), iar cele pozitive în soluții alcaline. Pentru a imbunatati proprietatile protectoare, stratul rezultat este uscat la t=100...120°C, iar apoi bronzat la t=200...250°C timp de 30...40 minute.

Modelul de circuit necesar este obținut prin gravarea zonelor substratului neprotejate de fotorezist într-un amestec de acid azotic și fluorhidric (Fig. 1.10e).

Gravarea trebuie să asigure gravarea completă a filmelor de oxid. În acest caz, există cazuri când este necesară gravarea simultană a filmelor de oxid de diferite grosimi. Precizia operațiilor de gravare depinde de precizia negativului și de calitatea fotorezistului. În cazul unei aderențe slabe a stratului la suprafața piesei de prelucrat, acidul fluorhidric poate pătrunde sub stratul întărit și poate grava zonele filmului de oxid protejate de acesta. Stratul de fotorezist rămas pe suprafață este îndepărtat într-un solvent, care este utilizat ca lichide organice și acid sulfuric. După umflare, filmul fotorezistent este îndepărtat cu un tampon.

Fotolitografia este unul dintre principalele procese tehnologice în producția de cipuri semiconductoare. Utilizarea sa pe scară largă se explică prin reproductibilitatea și rezoluția ridicată, ceea ce face posibilă obținerea de modele de dimensiuni mici, versatilitatea și flexibilitatea metodei, performante ridicate. Dezavantajul fotolitografiei de contact este uzura rapidă a fotomăștii și apariția defectelor pe suprafețele de contact. La contact, fotomasca presează orice particule (de exemplu, particule de praf) în stratul de fotorezist, ceea ce duce la defecte în stratul protector al fotorezist.

O bucată de praf pe suprafața fotorezistului poate împiedica întărirea acestuia și poate duce la formarea unei găuri („punctură”) în oxid. Un fir de praf sau niște puncte întunecate pe partea transparentă a măștii foto pot da același efect. O gaură în partea întunecată a măștii foto poate duce la îndepărtarea incompletă a filmului de oxid. Dimensiunile particulelor de praf sunt proporționale cu dimensiunile zonelor elementelor de contact. Prezența lor duce la microcircuite defecte.

Probabilitatea ca defectele să apară din cauza particulelor de praf insolubile și a altor contaminanți punctiali care cad pe suprafața de siliciu este proporțională cu suprafața plachetei. Prezența unor astfel de defecte limitează aria maximă a microcircuitelor.

Fotolitografia fără contact (proiectare) elimină contactul dintre fotomască și stratul de fotorezist, ceea ce evită o serie de dezavantaje inerente fotolitografiei de contact.

Metoda de imprimare prin proiecție presupune proiectarea unei imagini dintr-o mască foto pe o placă acoperită cu un strat de fotorezist, plasată la o distanță considerabilă unul de celălalt. Dimensiunile desenului de pe fotomască pot fi realizate la scară mărită. Cu această metodă, cerințele pentru planeitatea substraturilor și uniformitatea grosimii stratului de fotorezist sunt crescute. Cerințe mari prezentată lentilei, care trebuie să furnizeze rezoluția necesară pe întreaga zonă de lucru a substratului. În prezent, cea mai bună rezoluție (0,4 µm) poate fi obținută pe o suprafață de 2x2 mm. Dificultățile de a crea lentile care oferă rezoluție înaltă pe o suprafață mare, împiedică implementarea pe scară largă a metodei fotolitografiei prin proiecție.

Fotolitografia Microgap combină avantajele metodelor de fotolitografie prin contact și proiecție. Prin această metodă se stabilește un spațiu de 10... 20 microni între placă și fotomască. Un astfel de decalaj este suficient de mare pentru a minimiza fenomenul de difracție și, în același timp, suficient de mic pentru a neglija distorsiunile neliniare din decalaj în timpul transmiterii imaginii. Echipamentele industriale pentru expunerea la micro-gap sunt mult mai complexe decât echipamentele pentru expunerea de contact.

Difuzia. Este procesul de transfer al impurităților dopante din zone cu concentrație mai mare în zone cu concentrație mai mică. Dacă există un gradient în concentrația de atomi ai oricărui element dintr-un solid, atunci se creează o mișcare de difuzie direcționată, care tinde să egaleze concentrația acestor atomi pe întreg volumul. Procesele de egalizare a concentrației au loc la temperaturi suficient de ridicate, când viteza de mișcare a particulelor crește brusc. Ele sunt caracterizate de coeficientul de difuzie D, care este determinat de masa unei substanțe care pătrunde printr-o unitate de suprafață pe unitatea de timp cu un gradient de concentrație egal cu unitatea.

Coeficientul de difuzie pentru un anumit material și impuritate difuză, la o primă aproximare, depinde doar de temperatură (dependență exponențială).

Coeficientul de difuzie elementele III grupul (B, A1, Ip) din siliciu este cu 1... 1,5 ordine de mărime mai mare decât elementele grupului V (As; P; Sb). De exemplu, coeficientul de difuzie al borului în siliciu la t==1473 K este de 10,5 cm 2 /s, al arsenului - 0,3 cm 2 /s.

Procesul de difuzie are loc în două etape. În prima etapă, se creează un strat saturat cu o impuritate pe cristalul dintr-o sursă infinită (fază gazoasă). Această etapă se numește conducerea impurităților. Se efectuează în prezența oxigenului, care favorizează formarea unui strat de sticlă borosilicată (pentru impuritatea B 2 0 3) sau sticlă de silicat de fosfor (pentru impuritatea P 2 O 5) la suprafață. Parametrii procesului de antrenare sunt concentrația de difuzant și oxigen în gazul purtător, viteza amestecului de gaze și timpul procesului. În a doua etapă, impuritatea suferă o redistribuire. Această etapă se numește distilare a impurităților. Se realizează la t = 800...1000°C în absenţa unei surse externe de impurităţi. Atmosfera de lucru este un amestec de gaz inert și oxigen. Accelerarea impurității în adâncimea plachetei este însoțită de creșterea unei pelicule protectoare de oxid de siliciu.

Difuzia se realizează în intervalul de temperatură 1100... 1300°C și ținând cont de procesul de antrenare într-un proces în două etape -1000... 1300°. Sub 1000 °C, coeficienții de difuzie sunt foarte mici, iar adâncimea de difuzie este nesemnificativă. Peste 1300°C, deteriorarea suprafeței plăcilor are loc sub influența temperaturii ridicate.

Compușii solizi, lichizi și gazoși sunt utilizați ca surse de impurități. Cele mai frecvent utilizate sunt borul și fosforul sub formă de compuși chimici B 2 0 5, P 2 O 5 etc.

Difuzia într-un flux de gaz purtător dintr-o sursă solidă se realizează în instalații cu două zone (Fig. 1.11). Sursa de impurități este plasată într-o zonă de temperatură scăzută, iar plachetele de siliciu sunt plasate într-o zonă de temperatură ridicată (1100... 1200°C). Conducta este purjată cu un amestec de gaz inert și oxigen și după stabilire regim de temperatură plăcile se așează în zona de lucru. Moleculele de impurități care se evaporă sunt transferate de gazul purtător către plăci și ajung la suprafețele acestora printr-un strat de sticlă lichidă. Sticla lichidă protejează suprafețele plăcilor de evaporare și de pătrunderea particulelor străine. Dezavantajele procesului de difuzie a sursei solide sunt complexitatea instalației și dificultatea de a controla presiunea vaporilor.

Difuzia într-un flux de gaz purtător dintr-o sursă lichidă se realizează într-o instalație mai simplă cu o singură zonă, unde este posibil să se obțină o gamă mai largă de valori ale concentrației de suprafață. Dezavantajul acestui proces este toxicitatea ridicată a concentrațiilor.

Difuzie într-un volum închis. O astfel de difuzie asigură o bună reproductibilitate a parametrilor straturilor de difuzie. În acest caz, placheta de siliciu și sursa de impurități sunt plasate într-o fiolă de cuarț, care este pompată la o presiune de 10 -3 Pa sau umplută cu un gaz inert. Fiola este apoi sigilată și introdusă într-un cuptor de încălzire. Moleculele de vapori impuri sunt adsorbite de suprafețele plachetei semiconductoare și difuzează adânc în ea. Această metodă este utilizată pentru difuzarea borului, antimoniului, arsenului și fosforului. Aceste impurități sunt foarte toxice, iar difuzia în fiolă elimină posibilitatea otrăvirii.

Avantajul metodei este posibilitatea de a utiliza un cuptor pentru difuzarea mai multor impurități fără contaminare reciprocă dezavantajul este productivitatea scăzută și necesitatea de a conduce cu atenție procesul de încărcare, deoarece orice substanță care intră în fiolă difuzează împreună cu principalul; impuritate.

Cu toate metodele de difuzie, este necesar să se asigure o distribuție uniformă a temperaturii de-a lungul axei zonei fierbinți. Dacă toleranța pentru adâncimea stratului de difuzie este de 100%, atunci este suficient să se mențină temperatura cu o precizie de ±5°C. Cu o toleranță de 20%, temperatura trebuie menținută cu o precizie de ±0,5°C.

Adâncimea de difuzie variază de la câțiva micrometri (pentru elemente de circuit) la 10 ... 100 microni pentru izolarea acestora. O adâncime mare de difuzie necesită un timp considerabil (până la 60 de ore).

Impuritățile care se difuzează în siliciu printr-o gaură din oxid se extind lateral cu aproape aceeași cantitate ca și în adâncime.

Cele mai frecvente defecte în difuzie sunt abaterile în adâncimea stratului de difuzie. Motivele pentru astfel de abateri sunt praful și alte particule situate pe suprafața plachetei, precum și reziduurile de fotorezist. Defectele de suprafață și perturbările din rețeaua cristalină contribuie la o penetrare mai profundă a difuzantului în material. Pentru a reduce numărul de astfel de defecte, este necesar să se mențină cu atenție curățenia mediului, materialelor și echipamentelor în timpul operațiunilor pregătitoare și în timpul procesului de difuzie.

Chitanță P-N-tranzitiile prin metode de difuzie permit controlul in limite precise a profunzimii si localizarii tranzitiei, concentratia de impuritati etc. Dezavantajul procesului de difuzie il reprezinta imposibilitatea obtinerii unor tranzitii clare intre zone cu diferite tipuri de conductivitate.

Epitaxie. Acesta este procesul de creștere a straturilor cu o structură cristalină ordonată prin implementarea acțiunii de orientare a substratului. Există două tipuri de epitaxie utilizate în producția de circuite integrate: homoepitaxie și heteroepitaxie.

Homoepitaxia (autoepitaxia) este procesul de creștere orientată a unei substanțe cristaline care nu diferă ca compoziție chimică de substanța substrat. Heteroepitaxia este un proces de creștere orientată a unei substanțe care diferă ca compoziție chimică de materialul substratului.

În timpul procesului de creștere a unei pelicule epitaxiale, în acesta pot fi introduse impurități dopante, creând filme semiconductoare cu distribuția dorită a concentrației și un anumit tip de conductivitate. Datorită acestui fapt, este posibil să se obțină limite clare între zonele cu diferite tipuri conductivitate.

Cea mai utilizată metodă în prezent este așa-numita metodă cu clorură de producere a straturilor epitaxiale de siliciu, bazată pe reducerea tetraclorurii de siliciu. Procesul se desfășoară într-un reactor, care este un tub de cuarț plasat în inductorul unui generator RF. Reactoarele pot fi de tip orizontal sau vertical.

Într-un reactor orizontal (Fig. 1.12), plachetele de siliciu sunt plasate pe suporturi de grafit. Încălzirea este realizată de un generator de înaltă frecvență. Înainte de începerea procesului, sistemul este umplut cu azot sau heliu pentru a elimina aerul și purjat cu hidrogen pur, care la o temperatură de 1200°C reacționează cu peliculele de oxid rămase pe suprafața substratului și le îndepărtează aproape complet. Camera este apoi umplută

amestec NS1Şi H 2 pentru gravarea unui strat de câțiva micrometri grosime dintr-o plachetă de siliciu. Folosind o operație de gravare cu gaz, stratul deteriorat și reziduurile sunt îndepărtate Si0 2. Filmele epitaxiale se obtin fara defecte structurale. După curățare, sistemul este purjat cu hidrogen timp de câteva minute, apoi alimentat SiCl4și dopant. Ca urmare a reacţiei

5iС1 4(gaz) + 2H 2(gaz) ↔ Si(SOLID) ↓ + 4NS1(GAZ)

Tetraclorura de siliciu se descompune și siliciul este depus pe substratul de siliciu, care preia structura stratului de dedesubt. După finalizarea procesului, substratul este răcit cu un curent de hidrogen pur.

Raporturile specifice de hidrogen, clorură de siliciu și impurități sunt obținute prin ajustarea vitezei de alimentare și a temperaturii. Debitul obișnuit al gazului purtător (hidrogen) este de 10 l/min și raportul dintre cantitate H 2Şi SiCl4 este 1000: 1. Un difuzant gazos este introdus în acest amestec într-o cantitate de aproximativ 300 de părți la 1.000.000 de părți din amestecul de gaze.

Fosfina este folosită ca impuritate donor (RN 3), și pentru a obține un strat P-tip - diboran (B 2 H 6).

Viteza de creștere a filmului epitaxial depinde de debitul SiCl4Şi H2, temperatura substratului, cantitatea de impuritate introdusă etc. Aceste variabile, care pot fi controlate destul de precis, determină durata procesului.

Cea mai mică grosime a peliculei epitaxiale este determinată de prezența centrelor de cristalizare. Limita superioară a grosimii filmului fără defecte este de 250 µm. Cel mai adesea, grosimea filmului epitaxial este de la 1 la 25 de microni.

Calitatea stratului epitaxial este mult influențată de curățenia suprafeței substratului și de gazele utilizate. Ca substrat se folosesc plachete de siliciu cu grosimea de 150...200 microni, lipsite de defecte structurale. Conținutul admis de impurități în gaze este egal cu câteva părți de impuritate per milion de părți de gaz.

Controlul plachetelor semiconductoare se efectuează după finisarea lustruire, epitaxie, oxidare și difuzie. Se bazează pe observarea vizuală și analiza imaginii plăcii formată pe ecran de un fascicul homocentric de lumină vizibilă reflectată de suprafața plăcii.

Zonele plăcii cu o structură deteriorată introduc perturbări în fasciculul de lumină, din cauza cărora defectele plăcii sunt vizibile pe ecran ca modificări ale intensității luminii în imaginea plăcii, permițând evaluarea calității acesteia.

Pulverizarea peliculelor subțiri. Principalele metode de producere a filmelor subțiri sunt pulverizarea termică (evaporarea) în vid și pulverizarea ionică.

Pulverizare termică în vid. Această depunere se bazează pe proprietatea atomilor (moleculelor) de metale și a altor materiale, atunci când se evaporă în condiții de vid înalt, de a se deplasa rectiliniu (ca razele) și de a fi depuși pe o suprafață plasată în calea mișcării lor.

Instalația de depunere în vid (Fig. 1.13) constă dintr-o placă plană 6, pe care este instalat un capac de sticlă sau metal 9. În acest din urmă caz, este echipat cu un vizor. Placa are două borne izolate etanșe la vid 4 pentru alimentarea evaporatorului 3. Un substrat este plasat la o oarecare distanță de evaporator 10, pe care se aplică o peliculă subțire. Substratul se încălzește și este închis cu un amortizor până când se atinge modul specificat. 1.

În conformitate cu procesele fizice care au loc în timpul evaporării în vid, putem distinge pașii următori formarea peliculei: 1) transferul materialului pulverizat în stare de vapori; 2) transfer de vapori de la sursa de evaporare la substrat; 3) condensarea vaporilor pe substrat și formarea peliculei.

Transferarea materialului pulverizat într-o stare de vapori. În zona de formare a vaporilor, are loc evaporarea materialului, care este încălzit până când presiunea vaporilor săi depășește presiunea gazelor reziduale. În acest caz, moleculele încălzite, care au energie cinetică mare, înving forțele de atracție moleculară și se desprind de suprafața topiturii. Datorită transferului de căldură foarte redus în condiții de vid înalt, supraîncălzirea substraturilor nu are loc.

Pentru unele materiale, temperatura de evaporare condiționată este mai mică decât punctul de topire. De exemplu, cromul are un punct de topire de 1800°C și se evaporă când este încălzit în vid la o temperatură de 1205°C. Se numește trecerea unei substanțe de la starea solidă la starea de vapori fără a trece printr-o stare lichidă sublimare.

Transferul vaporilor de la sursa de evaporare pe substrat. Aria de transfer a vaporilor este de 10...20 cm Pentru ca traiectoriile moleculelor substanței evaporate să fie rectilinie, drumul liber al moleculelor de gaz rezidual trebuie să fie de 5...10 ori mai mare. dimensiuni liniare zonele de transfer de vapori.

Calea liberă l- distanța parcursă de o moleculă de vapori a unei substanțe fără a se ciocni cu moleculele de gaze reziduale. În vid înalt, când l ³ d(d- distanța de la sursa de evaporare la substrat), moleculele substanței evaporate zboară o distanță practic fără ciocniri. Acest flux de substanță evaporată se numește molecular iar pentru a-l crea este nevoie de un vid de ordinul 10-5... 10-6 Pa.

Condensul vaporilor pe substrat și formarea peliculei. Condensarea vaporilor depinde de temperatura substratului și densitatea fluxului atomic. Atomii substanței evaporate sunt adsorbiți pe substrat după migrarea haotică de-a lungul suprafeței sale.

În proprietățile mecanice și fizice, peliculele subțiri diferă semnificativ de materialul în vrac. De exemplu, rezistența specifică a unor filme este de aproximativ 200 de ori mai mare decât rezistența probelor în vrac bine recoapte și de câteva ori mai mare decât rezistența materialelor supuse prelucrării la rece. Acest lucru se explică prin structura fin-cristalină și plasticitatea scăzută. Temperatura de evaporare a metalelor variază de la câteva sute de grade (de exemplu, 430 o C pentru cesiu) la câteva mii (de exemplu, 3500 o C pentru wolfram). În acest sens, în evaporarea în vid sunt utilizate evaporatoare de diferite modele. Pe baza metodei de încălzire a substanței, evaporatoarele sunt împărțite în rezistive, electronice și de inducție.

În evaporatoarele rezistive, energia termică se obține prin eliberarea de căldură atunci când curentul trece printr-un încălzitor sau direct prin materialul care se evaporă. Evaporatoarele cele mai utilizate sunt încălzite indirect. În acest caz, sunt prevăzute încălzitoare speciale, cu ajutorul cărora substanța evaporată este încălzită la temperatura necesară. Materialul evaporatorului este de obicei wolfram, tantal, molibden etc.

Alegerea materialului de încălzire este determinată de următoarele cerințe: materialul evaporat în stare topit trebuie să ude bine încălzitorul, formând un contact termic bun și nu trebuie să intre în contact cu reacție chimică cu material de încălzire. În principal sunt utilizate încălzitoare din wolfram, molibden și tantal.

Evaporatoarele rezistive nu asigură compoziția filmului necesară la evaporarea aliajelor. Datorită diferențelor de presiune a vaporilor diferitelor componente, compoziția filmului diferă semnificativ de materialul de pornire. De exemplu, un aliaj de nicrom pulverizat (80% Ni și 20% Cr) formează o peliculă pe substrat cu o compoziție de 60% Ni și 40% Cr. Pentru a obține filme cu compoziția necesară din aliaje multicomponente (de exemplu, MLT etc.), se utilizează metoda de microdozare sau evaporare explozivă. Cu această metodă, o microdoză de pulbere de aliaj evaporată cu dimensiuni ale particulelor de 100... 200 microni este furnizată unui evaporator cu bandă, încălzit la o temperatură cu 200...300°C mai mare decât temperatura de evaporare a celei mai refractare componente. Microdoza se evaporă aproape instantaneu.

În evaporatoarele electronice, energia cinetică a electronilor este convertită în energie termică. Materialul evaporat este utilizat sub forma unui fir solid, al cărui capăt liber este expus unui fascicul de electroni. Datorită duratei scurte de încălzire (10 -8 ... 10 -9 s), diverse componente ale compusului complex se evaporă și se depun pe substrat aproape simultan. Încălzirea cu fascicul de electroni face posibilă evaporarea metalelor refractare și a aliajelor acestora.

Pentru a crește stabilitatea parametrilor, sunt supuse filmelor subțiri de metal tratament termic prin încălzire la t=300...400° C. În acest caz, cristalele devin mai mari, legătura dintre ele este întărită, pelicula devine mai densă și mai compactă, iar rezistivitatea electrică scade.

Depunerea în vid este utilizată pe scară largă pentru a produce filme rezistive, conductori din cupru, aluminiu și alte aliaje, acoperiri dielectrice din oxid de siliciu etc. Principalele avantaje ale procesului sunt puritatea ridicată a filmului rezultat, ușurința de control al grosimii sale în timpul procesul de depunere și ușurința implementării. Cele mai semnificative dezavantaje ale procesului sunt modificări ale procentului de componente în timpul evaporării substanțelor cu compoziție complexă; uniformitate scăzută a grosimii filmului atunci când este depusă pe o suprafață mare din surse punctuale; dificultate în evaporarea materialelor refractare; inerție mare a procesului la utilizarea evaporatoarelor rezistive; puterea de aderență relativ scăzută a filmului la substrat.

Pulverizare de ioni. Se bazează pe fenomenul distrugerii materiale dure când suprafaţa lor este bombardată cu molecule ionizate ale unui gaz rarefiat. Procesul nu este asociat cu temperaturi ridicate și face posibilă obținerea de pelicule de metale și aliaje refractare. Distinge următoarele tipuri pulverizare ionică: catod, ion-plasmă și magnetron.

Pulverizarea catodică (sistemul „diodă”) (Fig. 1.14) se efectuează într-o cameră cu vid în care se află doi electrozi plan-paraleli. Un electrod (catod) este realizat din material pulverizat și este o țintă pentru bombardament. Celălalt electrod (anod) servește ca substrat pe care se depune filmul. Se creează o presiune scăzută în camera de vid (10 -3... 10 -4 Pa), după care se umple cu un gaz inert (de obicei argon) la o presiune de 1 ... 10 Pa. Când se aplică o tensiune înaltă (1...3 kV), între electrozi se produce o descărcare independentă de gaz incandescent, excitat de emisia de electroni. Catodul este sursa de electroni necesară pentru a menține descărcarea strălucitoare. Electronii se deplasează spre anod și când se ciocnesc cu moleculele de gaz neutre, scot electroni noi, ceea ce duce la o creștere bruscă a fluxului de electroni. În acest caz, molecula de gaz inert se transformă din neutru într-un ion pozitiv, care are o masă mai mare în comparație cu electronul. Așa are loc ionizarea unui gaz, care cu un număr mai mare sau egal de electroni și ioni se numește plasmă. Electronii se deplasează la anod și sunt neutralizați. Ionii pozitivi se deplasează la cealaltă limită a plasmei și sunt accelerați în spațiul catodic întunecat, dobândind energii mari pentru a pulveriza ținta (catod). Atomii materialului țintă cu energie mare depus pe suprafața substratului, care este situat destul de aproape de catod. De obicei, această distanță este de una și jumătate până la două lungimi din spațiul catodului întunecat.

Pulverizarea reactivă catodă se realizează într-un amestec de gaze inerte și active. Vă permite să obțineți filme de diferite compoziții. O descărcare într-un amestec de gaze „argon – oxigen” este folosită pentru a produce oxizi. Pulverizarea reactivă a tantalului în argon cu adăugarea de oxigen, azot și carbon face posibilă obținerea unui număr de compuși cu proprietăți foarte diferite.

Pulverizarea cu plasmă ionică (sistem cu trei electrozi) se realizează la presiuni mai mici (Fig. 1.15).

O presiune de 10 - 3 Pa este creată în cameră și catodul este încălzit. Apoi se umple cu gaz inert la o presiune de 10-1 Pa. Crearea plasmei cu descărcare în gaz este asigurată de o descărcare de arc care se produce între anod și catod la o tensiune de 150... 250 V. Sursa de electroni este catodul termic. Materialul pulverizat (ținta) este introdus în descărcarea de gaz ca un electrod independent care nu este asociat cu menținerea descărcării. Electronii simulați de catodul termoionic sunt accelerați spre anod și ionizează moleculele de gaz rezidual pe parcurs. Densitatea plasmei rezultate este cu mai mult de un ordin de mărime mai mare decât densitatea plasmei cu descărcare luminoasă. Catodul țintă și substratul sunt plasate la granițele opuse ale spațiului de plasmă activ. Pulverizarea începe din momentul în care un potențial de 200...1000 V, negativ față de anod, este aplicat țintei Acest potențial respinge electronii și atrage ionii din spațiul plasmei. Ionii bombardează ținta în același mod ca în versiunea considerată „diodă”. Atomii pulverizați, deplasându-se predominant în direcția perpendiculară pe suprafață, se depun pe substrat. Pulverizarea la presiuni joase face posibilă obținerea unei aderențe ridicate a filmului la substrat datorită energiei mai mari a particulelor pulverizate. Deoarece la această presiune calea liberă a moleculelor este de câțiva centimetri, atomii pulverizați pe drumul lor de la țintă la substrat aproape că nu se ciocnesc cu molecule și ionii de gaz inert și impurități de gaz, ceea ce reduce semnificativ gradul de contaminare a filmului. cu incluziuni de gaze străine. Posibilitatea reducerii distanței dintre țintă și substraturi se datorează faptului că într-un sistem de pulverizare cu triodă formarea de electroni și ioni are loc independent de țintă.

Dezavantajele sistemului triodă sunt durata scurtă de viață a catodului de sârmă și viteză diferită pulverizare pe zone individuale ale unei ținte plane.

Pulverizarea ionică de înaltă frecvență este utilizată pentru pulverizarea dielectricilor și a materialelor semiconductoare. În procesul de pulverizare convențională a materialelor conductoare care lovește o țintă catodică, un ion al unui gaz neutru de lucru primește un electron de la țintă și este descărcat, transformându-se pentru un timp într-o moleculă neutră. Dacă materialul țintă pulverizat este dielectric, atunci nu va exista nicio neutralizare a ionilor pe țintă și este rapid acoperit cu un strat de sarcini pozitive care împiedică pulverizarea în continuare a țintei.

Influența unei sarcini pozitive poate fi eliminată prin aplicarea pe electrodul metalic pe care este fixat dielectricul pulverizat, tensiune alternativă. În perioada în care tensiunea pe țintă este negativă, pulverizează, însoțită de acumularea unei sarcini pozitive. Când polaritatea este inversată, sarcina pozitivă este compensată de electroni extrași din plasmă. Materialele dielectrice pot fi pulverizate la aproape orice frecvență.

Toate elementele IC și conexiunile lor sunt realizate într-un singur ciclu tehnologic pe un substrat comun.

Procese tehnologice:

a) creșterea materialului semiconductor pe un substrat de siliciu;

b) oxidarea termică a siliciului pentru a obține un strat de oxid de SiO 2, protejând suprafața cristalului de mediu extern;

c) fotolitografia, care asigură configurațiile necesare ale peliculelor (SiO 2, metal etc.) pe suprafața substratului;

d) difuzie locală - transferul atomilor de impurități în zone limitate ale semiconductorului (în prezent - implantarea ionică a unui dopant);

e) depunerea de pelicule subțiri (până la 1 micron);

f) aplicarea de folii groase (mai mult de 1 micron) folosind paste speciale și apoi arderea lor.

Circuitele integrate sunt fabricate metode tehnologie integrată , având următorul distinctiv particularități:

1. Elementele de același tip conform metodei de fabricație sunt fie semiconductoare structuri p-n cu mai multe zone care diferă în concentrația de impurități sau structuri de film ale peliculelor conductoare, rezistive și dielectrice.

2. În același timp, într-un singur ciclu tehnologic, se fabrică un număr mare de unități funcționale identice, fiecare dintre acestea putând conține, la rândul său, până la sute de mii sau mai multe elemente.

3. Numărul operațiilor tehnologice (asamblare, montare elemente) se reduce cu câteva ordine de mărime față de metode tradiționale producerea de echipamente folosind elemente discrete.

4. Dimensiunile elementelor și conexiunile dintre ele sunt reduse la limitele posibile din punct de vedere tehnologic.

5. Conexiunile cu fiabilitate redusă ale elementelor realizate prin lipire sunt eliminate și înlocuite cu conexiuni foarte fiabile (prin metalizare).

Secvența etapelor principale ale construcției unui circuit integrat semiconductor:

1. Creșterea unui cristal de siliciu.

2. Tăierea în plăci (200…300 µm, Ø 40 – 150 mm).

3. Curățarea suprafeței plăcilor.

4. Obținerea elementelor și conexiunile acestora pe placă.

5. Tăierea plăcilor în părți separate (cristale).

6. Fixare în corp.

7. Cablurile de conectare la plăcuțele de contact.

8. Sigilarea carcasei.

Ave. Fotolitografie:

1. Curățarea plăcilor.

2. Aplicarea unui fotorezistor.

4. Combinație cu o fotomască și expunere.

5. Gravarea SiO2.

6. Bronzare (uscare).

7. Manifestare.

8. Scoaterea fotorezistorului.

Ave. Tehnologia filmului gros:

1. Curățarea substraturilor.

2. Serigrafie.

Descrierea schemei

1. Evaluări ale elementelor pasive:

R6 = R11 = 4,7 kOhm

• 2. T1, T2, T3, T4, T5 - n-p-n tranzistoare IC; T6 - IC tranzistor pnp;
• 3. s=200 Ohm/kV
• 4. Tensiune de alimentare 15V
• 5. Tehnologia planar-epitaxiala.
• 6. Izolarea prin joncțiune p-n.

Pin 6 - putere; pin 1 - împământare.

Tehnologia de fabricație IC

Orice elemente ale circuitelor integrate semiconductoare pot fi create pe baza a maximum trei joncțiuni p-n și patru straturi de două tipuri de conductivitate electrică (electronic și orificiu). Izolarea elementelor este adesea realizată folosind polarizarea inversă joncțiune pn. Principiul acestei metode de izolație este că prin aplicarea unui potențial negativ mare la substratul p, se obține o joncțiune p-n polarizată invers la limita regiunilor colectoare și a substratului p. Rezistența joncțiunii p-n polarizate invers este mare și atinge MOhm, astfel încât elementele sunt bine izolate unele de altele.

Tehnologia de producție a circuitelor integrate semiconductoare este un proces complex care include zeci de operațiuni și poate fi descrisă pe deplin într-un scurt manual metodologicŞi munca de curs imposibil.

Prin urmare, vom lua în considerare o rută scurtată pentru fabricarea unui IC cu elemente izolate și joncțiuni pn polarizate invers folosind tehnologia epitaxială plană. Se realizează operarea elementelor de izolare metoda grupului, este combinat cu tehnologia de fabricație IC în ansamblu și este implementat prin metoda de separare (izolare) difuzie la întreaga adâncime a stratului epitaxial. Această tehnologie face posibilă obținerea gradului necesar de dopaj al colectorului și al substratului independent unul de celălalt. Alegând un substrat cu rezistivitate mare și un strat epitaxial (colector) nu foarte rezistiv, este posibilă asigurarea capacității optime a joncțiunii colector-bază și a tensiunii de defalcare a acesteia. Prezența unui strat epitaxial vă permite să reglați cu precizie grosimea și rezistența colectorului, care, totuși, rămâne destul de mare (70-100 Ohmi). Reducerea rezistenței colectorului se realizează prin crearea unui strat n+ îngropat puternic dopat prin difuzia unei impurități de tip n în substratul p înainte de construirea stratului epitaxial. Acest strat oferă o cale de curent cu rezistență scăzută de la zona colectorului activ la contactul colectorului fără a reduce tensiunea de rupere a joncțiunii colector-bază.

Secvența de operații a tehnologiei planar-epitaxiale pentru producerea de circuite integrate semiconductoare bipolare cu izolarea elementelor prin joncțiuni p-n:

• 1) Tratarea mecanică a suprafeței părții de lucru a unei plachete de siliciu de tip p la puritatea clasa 14 și gravarea în vapori de HCI pentru a îndepărta stratul deteriorat. Napolitanele de Si sunt mai întâi măcinate la o grosime specificată, apoi lustruite, gravate și spălate.
• 2) Oxidare pentru a crea o mască de protecție în timpul difuzării impurităților de tip n. Pe suprafața siliciului crește o peliculă densă de dioxid de siliciu (SiO2), care are un coeficient de dilatare termică apropiat de cel al siliciului, ceea ce îi permite să fie folosit ca mască pentru difuzie. Cea mai avansată metodă tehnologic de producere a filmelor de SiO2 este oxidarea termică a suprafeței de siliciu. Oxigenul uscat sau umidificator sau vaporii de apă este folosit ca mediu oxidant. Temperatura zonei de lucru în timpul oxidării este de 1100-1300C. Oxidarea se realizează folosind metoda conductei deschise într-un flux de oxidant. În oxigenul uscat, se crește stratul de oxid cel mai perfect structural, dar procesul de oxidare este lent (la T = 1200C, grosimea stratului de SiO2 este de 0,1 microni). În practică, este recomandabil să se efectueze oxidarea în trei etape: în oxigen uscat, oxigen umed și din nou în oxigen uscat. Pentru a stabiliza proprietățile straturilor de oxid de protecție în timpul procesului de oxidare, în mediul de oxigen umed sau vapori de apă se adaugă acid boric, dioxid de titan etc.

3) Fotolitografie pentru a deschide ferestrele în oxid și a conduce difuzia locală în locurile în care se formează straturi ascunse (Fig. 3). Fotolitografia este crearea unei măști de protecție de dimensiuni mici, de aproape orice complexitate, pe suprafața unui substrat, care este ulterior utilizată pentru difuzie, epitaxie și alte procese. Se formează folosind un strat special numit fotorezist - un material care își schimbă structura sub influența luminii. Pe baza capacității lor de a modifica proprietățile la iradiere, fotorezistele pot fi clasificate ca negative sau pozitive.

Fotorezistul trebuie să fie sensibil la radiații, să aibă rezoluție mare și rezistență la acizi.

Un strat de fotorezist este aplicat pe suprafața de siliciu oxidat cu o grosime de oxid de 3000-6000 G folosind o centrifugă. Fotorezistul este uscat mai întâi la temperatura camerei, apoi la o temperatură de 100-150 C.

Substratul este combinat cu o fotomască și iluminat. Fotorezistul expus este dezvoltat și apoi spălat în apă deionizată. Fotorezistul rămas este întărit la temperatura camerei și la o temperatură de 200C timp de o oră, după care suprafața de siliciu oxidat este expusă în locuri corespunzătoare modelului fotomască.

4) Difuzie pentru a crea un strat n+ ascuns (Fig. 4). Difuzia locală este una dintre principalele operații tehnologice la crearea circuitelor integrate semiconductoare. Procesul de difuzie determină profilul de concentrație al structurii integrale și principalii parametri ai componentelor CI. Difuzia în cristale semiconductoare este mișcarea direcționată a atomilor de impurități în direcția scăderii concentrației lor. La o anumită temperatură, viteza de difuzie este determinată de coeficientul de difuzie, care este egal cu numărul de atomi care trec prin secţiune transversalăîn 1 cm2 în 1 s cu un gradient de concentraţie de 1 cm-4. Borul și fosforul sunt utilizate în principal ca impurități dopante în siliciu, borul creând impurități de tip acceptor, iar fosforul creând impurități de tip donator. Pentru bor și fosfor, energia de activare este de 3,7 și, respectiv, 4,4 eV.

În producția de circuite integrate sunt implementate două tipuri de difuzie. Difuzia sursă nelimitată este prima etapă a difuziei care introduce o anumită cantitate de impuritate în semiconductor. Acest proces se numește conduce impuritățile.

Pentru a crea o distribuție dată a impurităților în adâncimea și pe suprafața semiconductorului, se efectuează o a doua etapă de difuzie dintr-o sursă limitată. Acest proces se numește distilarea impurităților.

5) Îndepărtarea oxidului și pregătirea suprafeței înaintea procesului de epitaxie (Fig. 5).

6) Formarea unei structuri epitaxiale (Fig. 6). Epitaxia este procesul de creștere a unui singur cristal pe un substrat de orientare. Stratul epitaxial continuă rețeaua cristalină a substratului. Grosimea sa poate fi de la un monostrat la câteva zeci de microni. Un strat epitaxial de siliciu poate fi crescut pe siliciul în sine. Acest proces se numește auto- sau homoepitaxie. Spre deosebire de autoepitaxie, procesul de creștere a straturilor de un singur cristal pe substraturi care diferă în compoziția chimică se numește heteroepitaxie.

Procesul epitaxial face posibilă obținerea de straturi semiconductoare uniforme în concentrația de impurități și cu diferite tipuri de conductivitate (atât electronică, cât și orificiu). Concentrația de impurități în strat poate fi mai mare sau mai mică decât în ​​substrat, ceea ce face posibilă obținerea de straturi cu rezistivitate ridicată pe un substrat cu rezistivitate scăzută. În producție, straturile epitaxiale sunt obținute prin reacția vaporilor de compus de siliciu pe suprafața substratului folosind reacții de reducere a SiCl 4, SiBr 4. În camera de reacție de pe suprafața substratului are loc o reacție în intervalul de temperatură 1150-1270C

SiCl4+2H2=Si+4HCl,

drept urmare, siliciul pur sub formă de depozit solid completează rețeaua substratului, iar compusul volatil este îndepărtat din cameră.

Procesul de creștere epitaxială se realizează în instalații speciale, al căror volum de lucru este un tub de cuarț, iar hidrogenul și azotul sunt folosite ca gaz purtător.

Grosimea stratului epitaxial de tip n este de 10-15 microni cu o rezistivitate de 0,1-10 Ohm*cm. În stratul epitaxial se formează colectori de tranzistori și buzunare de rezistențe.

7) Oxidarea suprafeței stratului epitaxial pentru a crea o mască de protecție în timpul difuziei de separare (Fig. 7).

8) Fotolitografie pentru deschiderea ferestrelor pentru difuzia de separare (Fig. 8).

9) Efectuarea difuziei de separare si crearea de pungi izolate (Fig. 9).

Difuzia separată se efectuează în două etape: prima (conducere) - la o temperatură de 1100-1150C, a doua (dispersie) - la o temperatură de 1200-1250C. Borul este folosit ca difuzor. Difuzia de separare are loc pe toată adâncimea stratului epitaxial; în acest caz, în substratul de siliciu se formează regiuni semiconductoare separate separate prin joncțiuni p-n. În fiecare zonă izolată, ca urmare a proceselor ulterioare, se formează un element integral.

10) Oxidarea suprafeței pentru fotolitografie sub difuzie bazică (Fig. 10).

11) Fotolitografie pentru deschiderea ferestrelor pentru difuzia de bază (Fig. 11).

12) Formarea stratului de bază prin difuzia unei impurități de tip p (Fig. 12).

13) Oxidarea suprafeței pentru a patra fotolitografie (Fig. 13).

14) Fotolitografie pentru deschiderea ferestrelor pentru difuzia emitatorului (Fig. 12).

15) Formarea stratului emițător prin difuzia unei impurități de tip n, precum și oxidarea ulterioară a suprafeței (Fig. 15).

Difuzia emițătorului se realizează într-o singură etapă la o temperatură de aproximativ 1050C. Simultan cu emițătorii se formează zone pentru contactele colectorului. Fosforul este folosit ca dopant. Grosimea stratului d? 0,5-2,0 microni, concentrație acceptor N ? 10 21 cm -3 Folosit pentru a crea emițători de tranzistori, rezistențe de rezistență scăzută, contacte colectoare de dopaj etc.

16) A cincea fotolitografie pentru deschiderea ferestrelor de contact (Fig. 16).

17) Pulverizarea foliei de aluminiu (Fig. 17).

Conexiunile elementelor IC sunt create prin metalizare. Un strat de aluminiu cu o grosime de 1 micron este aplicat pe suprafața IC prin evaporare termică în vid.

18) Fotolitografie pentru a crea un model de cablare și a aplica un strat de dielectric de protecție (Fig. 18).

După În fotolitografie, metalul este arse într-un mediu de azot la o temperatură de 500C.

Calculul componentelor integrale

pe subiect: " Tehnologie pentru fabricarea cipurilor de circuite integrate semiconductoare »

Disciplina: „Știința materialelor și materialelor electronice”

Completat de un elev din grupa 31-R

Kozlov A.N.

Şeful Koschinskaya E.V.

Vultur, 2004

Introducere

Partea I. Revizuire analitică

1.1 Circuite integrate

1.3 Caracteristicile siliciului monocristalin

1.4 Motivația utilizării siliciului monocristalin

1.5 Tehnologie de producere a siliciului monocristalin

1.5.1 Obținerea siliciului de puritate semiconductoare

1.5.2 Creșterea monocristalelor

1.6 Prelucrarea mecanică a siliciului monocristalin

1.6.1 Calibrare

1.6.2 Orientare

1.6.3 Tăiere

1.6.4 Slefuire si lustruire

1.6.5 Gravarea chimică a plăcilor semiconductoare și a substraturilor

1.7 Funcționarea împărțirii substraturilor în plăci

1.7.1 Inscripţionare cu diamante

1.7.2 Marcare cu laser

1.8 Ruperea napolitanelor în cristale

Partea a II-a. Calcul

Concluzie

Lista literaturii folosite

Tehnologia de fabricație a circuitelor integrate este un set de metode mecanice, fizice și chimice de prelucrare a diferitelor materiale (conductori, dielectrici, metale), în urma cărora se creează un circuit integrat.

Creșterea productivității muncii se datorează în primul rând îmbunătățirii tehnologiei, introducerii progresive metode tehnologice, standardizare echipamente tehnologiceși echipamente, mecanizarea muncii manuale pe baza automatizării proceselor tehnologice. Importanța tehnologiei în producția de dispozitive semiconductoare și circuite integrate este deosebit de mare. Îmbunătățirea constantă a tehnologiei dispozitivelor semiconductoare a fost cea care a condus, într-un anumit stadiu al dezvoltării sale, la crearea de circuite integrate și, ulterior, la producția pe scară largă a acestora.

Producția de circuite integrate a început în jurul anului 1959, pe baza tehnologiei planare propuse până atunci. Baza tehnologiei planare a fost dezvoltarea mai multor metode tehnologice fundamentale. Odată cu dezvoltarea metodelor tehnologice, dezvoltarea SI a inclus cercetarea principiilor de funcționare a elementelor acestora, inventarea de noi elemente, îmbunătățirea metodelor de purificare a materialelor semiconductoare, efectuarea studiilor fizico-chimice a acestora în vederea stabilirii unor caracteristici atât de importante. ca solubilitatea limită a impurităților, coeficienții de difuzie a impurităților donor și acceptor etc.

Într-o scurtă perioadă istorică, microelectronica modernă a devenit una dintre cele mai importante domenii ale progresului științific și tehnologic. Crearea de circuite integrate mari și ultra-mari, microprocesoare și sisteme de microprocesoare a făcut posibilă organizarea producției în masă de electronice. calculatoare performanta ridicata, diverse tipuri echipamente electronice, echipamente de control al proceselor, sisteme de comunicații, sisteme și dispozitive control automat si reglementare.

Microelectronica continuă să se dezvolte într-un ritm rapid, atât în ​​direcția îmbunătățirii tehnologiei integrate cu semiconductori, cât și în direcția utilizării noilor fenomene fizice.

Parte eu . Revizuire analitică

1.1 Circuite integrate

În procesul de dezvoltare a microelectronicii (ME), nomenclatura CI s-a schimbat continuu. Principalul tip de circuite integrate în zilele noastre sunt circuitele integrate semiconductoare.

Clasificarea IP.

Clasificarea IP se poate face după diverse criterii, dar ne vom limita la unul singur. Pe baza metodei de fabricație și a structurii rezultate, două se disting fundamental diferite tipuri circuite integrate: semiconductor și film.

Un circuit integrat semiconductor este un microcircuit ale cărui elemente sunt realizate în stratul apropiat de suprafață al unui substrat semiconductor. Aceste circuite integrate formează baza microelectronicii moderne.

Un film IC este un microcircuit ale cărui elemente sunt realizate sub formă de diferite tipuri de filme depuse pe suprafața unui substrat dielectric. În funcție de metoda de depunere a filmului și de grosimea asociată acestora, se face o distincție între circuitele integrate cu film subțire (grosimea filmului de până la 1-2 µm) și circuitele integrate cu film gros (grosimea filmului de la 10-20 µm și mai sus).

Deoarece până acum nicio combinație de filme pulverizate nu face posibilă obținerea de elemente active precum tranzistoarele, circuitele integrate de film conțin doar elemente pasive (rezistoare, condensatoare etc.). Prin urmare, funcțiile îndeplinite de circuitele integrate cu film pur sunt extrem de limitate. Pentru a depăși aceste limitări, circuitul integrat de film este mărit cu componente active (tranzistori individuali sau circuite integrate) plasate pe același substrat și conectate la elementele de film. Apoi obținem un IC care se numește hibrid.

Un IC hibrid (sau GIS) este un cip care este o combinație de elemente pasive pe bază de film și componente active situate pe un substrat dielectric comun. Componentele discrete care alcătuiesc un circuit integrat hibrid se numesc componente suplimentare, subliniind astfel izolarea lor de ciclul tehnologic principal pentru producerea părții de film a circuitului.

Un alt tip de circuit integrat „mixt”, care combină elemente integrate de semiconductor și film, se numește combinat.

Un IC combinat este un microcircuit în care elementele active sunt realizate în stratul apropiat de suprafață al unui cristal semiconductor (ca un IC semiconductor), iar elementele pasive sunt depuse sub formă de pelicule pe o suprafață pre-izolata a aceluiași cristal (ca un circuit integrat de film).

Circuitele integrate compozite sunt benefice atunci când sunt necesare valori ridicate și stabilitate ridicată a rezistențelor și capacităților; aceste cerințe sunt mai ușor de îndeplinit cu elemente de film decât cu elemente semiconductoare.

În toate tipurile de circuite integrate, interconexiunile elementelor se realizează folosind benzi metalice subțiri pulverizate sau depuse pe suprafața substratului și în în locurile potriviteîn contact cu elementele care se leagă. Procesul de aplicare a acestor benzi de conectare se numește metalizare, iar „modelul” de interconexiuni în sine se numește cablaj metalic.

Acest curs examinează tehnologia de fabricație a plăcilor de circuite integrate cu semiconductor. Un circuit integrat semiconductor este un microcircuit ale cărui elemente sunt realizate în stratul apropiat de suprafață al unui substrat semiconductor. Aceste circuite integrate formează baza microelectronicii moderne. Dimensiunile cristalului ale circuitelor integrate moderne cu semiconductori ajung la 20x20 mm cu cât suprafața cristalului este mai mare, cu atât mai mult IC cu mai multe elemente poate fi plasat pe acesta. Cu aceeași suprafață de cristal, puteți crește numărul de elemente prin reducerea dimensiunilor acestora și a distanțelor dintre ele.

1.2 Cerințe pentru substraturile semiconductoare

Semiconductorii sub formă de plachete sau discuri tăiate din monocristale se numesc substraturi. În volumul lor și la suprafață, elementele microcircuitelor dispozitivelor și dispozitivelor electronice sunt formate prin metode de gravare, oxidare, difuzie, epitaxie, implantare, fotolitografie și alte metode tehnologice.

Calitatea suprafeței substratului este determinată de microrelieful (rugozitatea), de perfecțiunea cristalină a straturilor de suprafață și de gradul de puritate fizico-chimică a acestora. Suprafața substratului este caracterizată de neplaneitate și non-paralelism. Cerințe mari sunt puse și pe partea inversă - nefuncțională a substratului. Prelucrarea neuniformă și inegală a ambelor părți ale substratului duce la solicitări mecanice reziduale suplimentare și la deformarea cristalului, ceea ce face ca plăcile să se îndoaie.

După prelucrareîn stratul subțire de suprafață al substratului apare un strat deteriorat. În profunzime poate fi împărțit în zone caracteristice. Pentru cristalele de Ge, Si, GaAs și altele, după tăiere și șlefuire, la o adâncime de 0,3...0,5 din înălțimea medie a neregulilor, există o zonă de relief în care aceleași tipuri de perturbări și defecte ale unui singur -se observă structura cristalină: aşchii monocristaline, blocuri nefărâmate, fisuri, proeminenţe şi depresiuni de diferite dimensiuni. După tăiere, defectele sunt localizate în principal sub semnele de pe muchia de tăiere a discului de diamant sub formă de piste paralele de acumulări de defecte în cristale măcinate, uniform pe secțiunea transversală; La lustruire, primul strat prezintă neregularități de suprafață relativ mai mici decât la șlefuire și, spre deosebire de suprafața solului, este amorf. Al doilea strat este și el amorf, adâncimea sa este de 2...3 ori mai mare decât neregularitățile suprafeței. Al treilea strat este de tranziție de la o structură amorfă la un monocristal netulburat și poate conține deformații elastice sau plastice, dislocări și, în unele cazuri, fisuri. În procesul de prelucrare și pregătire a suprafeței substraturilor semiconductoare, este necesar să se creeze suprafețe perfecte care au un grad ridicat de paralelism plan la o anumită orientare cristalografică, Cu absența completă a unui strat deteriorat, densitatea minimă a defectelor de suprafață, dislocații etc. Contaminarea suprafeței ar trebui să fie minimă.

3 Caracteristicile siliciului monocristalin

Proprietățile fizico-chimice ale siliciului

1. Valoarea optimă a band gap-ului, care a determinat o concentrație suficient de scăzută de purtători intrinseci și o temperatură ridicată de funcționare.

2. O gamă largă de rezistivități efectiv realizabile, variind de la 10 -3 Ohm-cm (degenerat) la 10 5 (aproape de intrinseci).

3.Modul elastic ridicat, rigiditate semnificativă (mai mare decât, de exemplu, oțelul).

Cum se fac microcircuitele?

Pentru a înțelege care este principala diferență dintre aceste două tehnologii, este necesar să facem o scurtă excursie în însăși tehnologia de producție a procesoarelor moderne sau a circuitelor integrate.

După cum știți dintr-un curs de fizică școlar, în electronica modernă principalele componente ale circuitelor integrate sunt semiconductori de tip p și de tip n (în funcție de tipul de conductivitate). Un semiconductor este o substanță a cărei conductivitate este superioară dielectricilor, dar inferioară metalelor. Baza ambelor tipuri de semiconductori poate fi siliciul (Si), care în forma sa pură (așa-numitul semiconductor intrinsec) conduce slab curentul electric, dar adăugarea (introducerea) unei anumite impurități în siliciu îi poate schimba radical proprietățile conductoare. . Există două tipuri de impurități: donor și acceptor. O impuritate donor duce la formarea de semiconductori de tip n cu conductivitate de tip electronic, iar o impuritate acceptoare duce la formarea de semiconductori de tip p cu conductivitate de tip orificiu. Contactele p- și n-conductori permit formarea tranzistoarelor de bază elemente structurale

microcircuite moderne. Acești tranzistori, numiti tranzistori CMOS, pot exista în două stări de bază: deschise, când conduc electricitatea, și oprite, când nu conduc electricitatea. Deoarece tranzistoarele CMOS sunt elementele principale ale microcircuitelor moderne, haideți să vorbim despre ele mai detaliat.

Cum funcționează un tranzistor CMOS?

Cu toate acestea, dacă se aplică un potențial pozitiv porții (Fig. 1), situația se va schimba radical. Sub influența câmpului electric al porții, găurile sunt împinse adânc în p-semiconductor, iar electronii, dimpotrivă, sunt atrași în zona de sub poartă, formând un canal bogat în electroni între sursă și scurgere. Dacă se aplică o tensiune pozitivă pe poartă, acești electroni încep să se deplaseze de la sursă la scurgere. În acest caz, tranzistorul conduce curentul; se spune că tranzistorul este „deschis”. Dacă tensiunea de la poartă este îndepărtată, electronii nu mai sunt atrași în zona dintre sursă și scurgere, canalul conductor este distrus și tranzistorul nu mai trece de curent, adică se „oprește”. Astfel, prin schimbarea tensiunii de la poartă, puteți deschide sau închide tranzistorul, similar modului în care puteți porni sau opri un comutator obișnuit, controlând fluxul de curent prin circuit. Acesta este motivul pentru care tranzistoarele sunt uneori numite comutatoare electronice.

Cu toate acestea, spre deosebire de comutatoarele mecanice convenționale, tranzistoarele CMOS sunt practic lipsite de inerție și sunt capabile să comute de la pornit la oprit de trilioane de ori pe secundă! Această caracteristică, adică capacitatea de a comuta instantaneu, determină în cele din urmă performanța procesorului, care constă din zeci de milioane de astfel de tranzistori simpli.

Deci, un circuit integrat modern este format din zeci de milioane de tranzistoare CMOS simple. Să ne oprim mai în detaliu asupra procesului de fabricare a microcircuitelor, a cărui primă etapă este producția de substraturi de siliciu.

Pasul 1. Creșterea spațiilor libere

Crearea unor astfel de substraturi începe cu creșterea unui monocristal de siliciu cilindric. Ulterior, aceste semifabricate monocristaline (marturi) sunt tăiate în plachete rotunde (napolitane), a căror grosime este de aproximativ 1/40 inch și diametrul este de 200 mm (8 inchi) sau 300 mm (12 inci). Acestea sunt substraturile de siliciu utilizate pentru producerea de microcircuite. Când se formează plachete din monocristale de siliciu, faptul că pentru structuri cristaline ideale proprietăți fizice depind în mare măsură de direcția aleasă (proprietatea anizotropiei). De exemplu, rezistența unui substrat de siliciu va fi diferită în direcțiile longitudinale și transversale. De asemenea, în funcție de orientarea rețelei cristaline, un cristal de siliciu va reacționa diferit la orice legate de prelucrarea sa ulterioară (de exemplu, gravare, pulverizare etc.).

Prin urmare, placa trebuie tăiată dintr-un singur cristal în așa fel încât orientarea rețelei cristaline față de suprafață să fie strict menținută într-o anumită direcție. După cum sa menționat deja, diametrul piesei de siliciu monocristal este fie de 200, fie de 300 mm. În plus, diametrul este de 300 mm, acesta este relativ tehnologie nouă , despre care vom discuta mai jos. Este clar că o placă de acest diametru poate găzdui mai mult de un microcircuit, chiar dacă despre care vorbim

despre procesorul Intel Pentium 4 Într-adevăr, câteva zeci de microcircuite (procesoare) sunt formate pe o placă de substrat similară, dar pentru simplitate vom lua în considerare doar procesele care au loc într-o zonă mică a unui viitor microprocesor.

Pasul 2. Aplicarea unei pelicule protectoare de dielectric (SiO2)

După formarea substratului de siliciu, începe etapa creării unei structuri semiconductoare complexe.

Pentru a face acest lucru, este necesar să se introducă în siliciu așa-numitele impurități donor și acceptor.

Totuși, se pune întrebarea: cum să introduceți impuritățile după un model precis specificat? Pentru a face acest lucru posibil, acele zone în care impuritățile nu trebuie introduse sunt protejate cu o peliculă specială de dioxid de siliciu, lăsând expuse doar acele zone care sunt supuse procesării ulterioare (Fig. 2). Procesul de formare a unei astfel de pelicule de protecție a modelului dorit constă în mai multe etape.

După ce substratul de siliciu este acoperit cu o peliculă protectoare de dioxid de siliciu, este necesar să îndepărtați acest film din acele zone care vor fi supuse procesării ulterioare. Filmul este îndepărtat prin gravare și pentru a proteja zonele rămase de gravare, pe suprafața plachetei este aplicat un strat de așa-numit fotorezist. Termenul „fotorezistenți” se referă la compuși care sunt sensibili la lumină și rezistenți la factorii agresivi. Compozițiile utilizate trebuie să aibă, pe de o parte, anumite proprietăți fotografice (sub influența luminii ultraviolete devin solubile și sunt spălate în timpul procesului de gravare) și, pe de altă parte, rezistive, permițându-le să reziste la gravarea în acizi și alcalii. , incalzire etc. Scopul principal al fotorezistelor este de a crea un relief de protecție a configurației dorite.

Procesul de aplicare a fotorezistului și iradierea ulterioară a acestuia cu lumină ultravioletă conform unui model dat se numește fotolitografie și include următoarele operații de bază: formarea unui strat de fotorezist (prelucrarea substratului, aplicare, uscare), formarea unui relief protector (expunere, dezvoltare, uscare) și transferul imaginii pe substrat (gravare, pulverizare etc.).

Înainte de aplicarea unui strat de fotorezist (Fig. 3) pe substrat, acesta din urmă este supus la pretratament, în urma căreia se îmbunătățește aderența sa la stratul de fotorezist. Pentru aplicarea unui strat uniform de fotorezist se folosește metoda centrifugării. Substratul este așezat pe un disc rotativ (centrifugă), iar sub influența forțelor centrifuge, fotorezistul este distribuit pe suprafața substratului într-un strat aproape uniform. (Când vorbim despre un strat aproape uniform, ținem cont de faptul că, sub influența forțelor centrifuge, grosimea filmului rezultat crește de la centru spre margini, totuși, această metodă de aplicare a fotorezistului poate rezista la fluctuațiile stratului grosime în ±10%)

Pasul 4. Litografia

După aplicarea și uscarea stratului de fotorezist, începe etapa de formare a reliefului protector necesar. Relieful se formează ca urmare a faptului că, sub influența radiațiilor ultraviolete care cad pe anumite zone ale stratului fotorezistent, acesta din urmă modifică proprietățile de solubilitate, de exemplu, zonele iluminate încetează să se dizolve în solvent, care elimină zonele de stratul care nu a fost expus la iluminare sau invers - zonele iluminate se dizolvă. Pe baza metodei de formare a reliefului, fotorezistele sunt împărțite în negative și pozitive. Fotorezistele negative, atunci când sunt expuse la radiații ultraviolete, formează zone de protecție de relief. Fotorezistele pozitive, dimpotrivă, sub influența radiațiilor ultraviolete dobândesc proprietăți de fluiditate și sunt spălate de solvent. În consecință, se formează un strat protector în acele zone care nu sunt expuse la iradierea ultravioletă.

Pentru a ilumina zonele dorite ale stratului fotorezistent, se folosește un șablon special de mască.

Cel mai adesea, plăci de sticlă optică cu elemente opace obținute fotografic sau în alt mod sunt folosite în acest scop. De fapt, un astfel de șablon conține un desen al unuia dintre straturile viitorului microcircuit (pot fi câteva sute de astfel de straturi în total). Deoarece acest șablon este o referință, trebuie realizat cu mare precizie. În plus, ținând cont de faptul că multe plăci foto vor fi realizate dintr-o singură fotomască, aceasta trebuie să fie durabilă și rezistentă la deteriorare. Din aceasta rezultă clar că o fotomască este un lucru foarte scump: în funcție de complexitatea microcircuitului, poate costa zeci de mii de dolari.

În ciuda simplității aparente a procesului fotolitografic, această etapă a producției de microcircuite este cea mai complexă. Cert este că, în conformitate cu predicția lui Moore, numărul de tranzistori de pe un cip crește exponențial (se dublează la fiecare doi ani). O astfel de creștere a numărului de tranzistori este posibilă numai datorită unei scăderi a dimensiunii acestora, dar tocmai scăderea „se sprijină” pe procesul litografiei. Pentru a face tranzistoarele mai mici, este necesar să se reducă dimensiunile geometrice ale liniilor aplicate stratului de fotorezist. Dar există o limită la orice; focalizarea unui fascicul laser într-un punct nu este atât de ușoară.

Faptul este că, în conformitate cu legile opticii undelor, dimensiunea minimă a punctului în care este focalizat fasciculul laser (de fapt, nu este doar un punct, ci un model de difracție) este determinată, printre alți factori, de lungimea de undă a luminii. Dezvoltarea tehnologiei litografice de la invenția sa la începutul anilor 70 a fost în direcția reducerii lungimii de undă a luminii. Acesta este ceea ce a făcut posibilă reducerea dimensiunii elementelor circuitelor integrate. De la mijlocul anilor 80, fotolitografia a început să folosească radiația ultravioletă produsă de laser.

Ideea este simplă: lungimea de undă a radiației ultraviolete este mai mică decât lungimea de undă a luminii vizibile, prin urmare este posibil să se obțină linii mai fine pe suprafața fotorezistului. Până de curând, litografia folosea radiații ultraviolete profunde (Deep Ultra Violet, DUV) cu o lungime de undă de 248 nm. Cu toate acestea, atunci când fotolitografia s-a deplasat dincolo de 200 nm, au apărut probleme serioase care au pus pentru prima dată îndoieli cu privire la utilizarea continuă a acestei tehnologii. De exemplu, la lungimi de undă mai mici de 200 de microni, prea multă lumină este absorbită de stratul fotosensibil, complicând și încetinind astfel procesul de transfer al șablonului de circuit la procesor. Probleme precum acestea îi determină pe cercetători și producători să caute alternative la tehnologia tradițională a litografiei.

Tehnologia actuală de litografie permite un model cu o lățime minimă a firului de 100 nm, în timp ce litografia EUV face posibilă imprimarea cu lățimi de linii mult mai mici, de până la 30 nm. Controlul radiațiilor ultrascurte nu este atât de ușor pe cât pare. Deoarece radiația EUV este bine absorbită de sticlă, noua tehnologie presupune utilizarea unei serii de patru oglinzi convexe speciale care reduc și focalizează imaginea obținută după aplicarea măștii (Fig. 5, ,).

Fiecare astfel de oglindă conține 80 de straturi individuale de metal cu o grosime de aproximativ 12 atomi.

Pasul 5: Gravare

După expunerea stratului de fotorezist, etapa de gravare începe să îndepărteze filmul de dioxid de siliciu (Fig. 8). Procesul de gravare este adesea asociat cu băi acide. Această metodă de gravare cu acid este bine cunoscută radioamatorilor care și-au făcut propriile plăci de circuite imprimate. Pentru a face acest lucru, un model de piste pentru viitoarea placă este aplicat pe PCB acoperit cu folie cu lac, care acționează ca un strat protector, iar apoi placa este coborâtă într-o baie cu acid azotic

. Secțiunile inutile ale foliei sunt gravate, expunând PCB curat.

Această metodă are o serie de dezavantaje, dintre care principalul este incapacitatea de a controla cu precizie procesul de îndepărtare a stratului, deoarece prea mulți factori influențează procesul de gravare: concentrația acidului, temperatura, convecția etc. În plus, acidul interacționează cu materialul în toate direcțiile și pătrunde treptat sub marginea măștii de fotorezist, adică distruge straturile acoperite cu fotorezist din lateral. Prin urmare, în producția de procesoare se folosește metoda de gravare uscată, numită și plasmă. Această metodă vă permite să controlați cu precizie procesul de gravare, iar distrugerea stratului gravat are loc strict în direcția verticală.

Gravarea uscată folosește un gaz ionizat (plasmă) pentru a îndepărta dioxidul de siliciu de pe suprafața plachetei, care reacționează cu suprafața dioxidului de siliciu pentru a produce produse secundare volatile.

Să reamintim că procesul anterior de formare a modelului necesar pe un substrat de siliciu a fost necesar pentru a crea structuri semiconductoare în locurile potrivite prin introducerea unei impurități donor sau acceptor. Procesul de introducere a impurităților se realizează prin difuzie (Fig. 9) introducerea uniformă a atomilor de impurități în rețeaua cristalină de siliciu. Pentru a obține un semiconductor de tip n, se utilizează de obicei antimoniu, arsen sau fosfor.

Pentru a obține un semiconductor de tip p, ca impurități se folosesc bor, galiu sau aluminiu.

Implantarea ionică este utilizată pentru procesul de difuzie a dopanților. Procesul de implantare constă în faptul că ionii impurității dorite sunt „împușcați” de la un accelerator de înaltă tensiune și, având suficientă energie, pătrund în straturile de suprafață de siliciu.

Deci, la sfârșitul etapei de implantare ionică, a fost creat stratul necesar al structurii semiconductoare. Cu toate acestea, în microprocesoare pot exista mai multe astfel de straturi. Pentru a crea următorul strat în modelul de circuit rezultat, este crescut un strat subțire suplimentar de dioxid de siliciu. După aceasta, se depun un strat de siliciu policristalin și un alt strat de fotorezist. Radiația ultravioletă este trecută prin a doua mască și evidențiază modelul corespunzător pe stratul foto. Apoi din nou urmează etapele de dizolvare a fotostratului, gravare și implantare ionică.

Pasul 7. Pulverizare și depunere

Aplicarea de noi straturi se efectuează de mai multe ori, în timp ce pentru conexiunile interstraturilor sunt lăsate „ferestre” în straturi, care sunt umplute cu atomi de metal;

Ca rezultat, pe cristal sunt create benzi metalice regiuni conductoare.

La sfârșitul ciclului de formare, toate procesoarele sunt testate temeinic. Apoi, cristalele specifice care au trecut deja testul sunt tăiate din placa de substrat folosind un dispozitiv special (Fig. 10).

Fiecare microprocesor este încorporat într-o carcasă de protecție, care asigură și conexiune electrică între cipul microprocesorului și dispozitivele externe.

Tipul carcasei depinde de tipul și de aplicarea prevăzută a microprocesorului.

După etanșarea carcasei, fiecare microprocesor este retestat. Procesoarele defecte sunt respinse, iar cele care funcționează sunt supuse testelor de încărcare. Procesoarele sunt apoi sortate în funcție de comportamentul lor la diferite viteze de ceas și tensiuni de alimentare.

Tehnologii promițătoare

Am considerat procesul tehnologic de producere a microcircuitelor (în special, procesoarelor) într-un mod foarte simplificat. Dar chiar și o prezentare atât de superficială ne permite să înțelegem dificultățile tehnologice întâmpinate la reducerea dimensiunii tranzistoarelor.

Cu toate acestea, înainte de a lua în considerare noile tehnologii promițătoare, vom răspunde la întrebarea pusă chiar la începutul articolului: care este standardul de proiectare al procesului tehnologic și cum, de fapt, diferă standardul de proiectare de 130 nm de standardul de 180 nm nm? 130 nm sau 180 nm aceasta este distanța minimă caracteristică dintre două elemente adiacente dintr-un strat al microcircuitului, adică un fel de pas de grilă de care sunt legate elementele microcircuitului. Este destul de evident că cu cât această dimensiune caracteristică este mai mică, cu atât mai mulți tranzistori pot fi plasați pe aceeași zonă a microcircuitului.În prezent, procesoarele Intel folosesc 0,13 microni

Odată cu creșterea densității tranzistorilor din cipul procesorului, tehnologia de 0,13 microni, care a înlocuit tehnologia de 0,18 microni, are și alte inovații. În primul rând, folosește conexiuni de cupru între tranzistoare individuale (în tehnologia de 0,18 microni conexiunile erau din aluminiu). În al doilea rând, tehnologia de 0,13 microni asigură un consum mai mic de energie. Pentru echipamentele mobile, de exemplu, aceasta înseamnă că consumul de energie al microprocesoarelor devine mai mic și durata de viață a bateriei este mai lungă.

Ei bine, ultima inovație care a fost implementată în timpul tranziției la un proces tehnologic de 0,13 microni este utilizarea plachetelor de siliciu (plachete) cu diametrul de 300 mm. Să reamintim că înainte de aceasta, majoritatea procesoarelor și microcircuitelor erau fabricate pe baza de wafer-uri de 200 mm.

Creșterea diametrului plachetei face posibilă reducerea costului fiecărui procesor și creșterea randamentului produselor de calitate adecvată. Într-adevăr, aria unei napolitane cu diametrul de 300 mm este de 2,25 ori mai mare decât aria unei napolitane cu diametrul de 200 mm și, în consecință, numărul de procesoare obținute dintr-o napolitană cu diametrul de 300 mm este de peste două ori mai mare.

În 2003, este de așteptat să fie introdus un nou proces tehnologic cu un standard de proiectare și mai mic, și anume 90 de nanometri. Noul proces prin care Intel va fabrica majoritatea produselor sale, inclusiv procesoare, chipset-uri și echipamente de comunicații, a fost dezvoltat la unitatea de procesare a plachetelor Intel D1C de 300 mm din Hillsboro, Oregon.

Pe 23 octombrie 2002, Intel a anunțat deschiderea unei noi unități de 2 miliarde de dolari în Rio Rancho, New Mexico. Noua fabrică, numită F11X, va folosi tehnologie modernă, care va produce procesoare pe wafer-uri de 300 mm folosind o tehnologie de proces cu o normă de proiectare de 0,13 microni. În 2003, instalația va fi transferată la un proces tehnologic cu un standard de proiectare de 90 nm.

În plus, Intel a anunțat deja reluarea construcției altuia instalație de producție la Fab 24 din Leixlip, Irlanda, care este proiectat să producă componente semiconductoare pe plăci de siliciu de 300 mm cu un standard de design de 90 nm. O nouă aventură suprafata totala mai mult de 1 milion mp. picioare cu camere deosebit de curate cu o suprafață de 160 mii de metri pătrați. ft. este de așteptat să fie operațional în prima jumătate a anului 2004 și va angaja peste o mie de angajați. Costul instalației este de aproximativ 2 miliarde de dolari.

Procesul de 90 nm folosește o serie de tehnologii avansate. Acestea sunt cele mai mici tranzistoare CMOS produse în masă din lume, cu o lungime a porții de 50 nm (Fig. 11), care oferă o performanță sporită, reducând în același timp consumul de energie, și cel mai subțire strat de oxid de poartă dintre orice tranzistor produs vreodată - doar 1,2 nm (Fig. 12), sau mai puțin de 5 straturi atomice și prima implementare a industriei a tehnologiei de siliciu tensionat de înaltă performanță.

Dintre caracteristicile enumerate, poate doar conceptul de „siliciu încordat” are nevoie de comentarii (Fig. 13). Într-un astfel de siliciu, distanța dintre atomi este mai mare decât într-un semiconductor convențional. Acest lucru, la rândul său, permite curentului să circule mai liber, similar modului în care traficul se mișcă mai liber și mai rapid pe un drum cu benzi mai largi.

Ca urmare a tuturor inovațiilor, caracteristicile de performanță ale tranzistorilor sunt îmbunătățite cu 10-20%, în timp ce costurile de producție cresc cu doar 2%.

În plus, procesul de 90 nm utilizează șapte straturi per cip (Figura 14), cu un strat mai mult decât procesul de 130 nm, precum și interconexiuni de cupru.

Toate aceste caracteristici, combinate cu wafer-uri de siliciu de 300 mm, oferă Intel beneficii în performanță, volum de producție și cost. Consumatorii beneficiază, de asemenea, deoarece noua tehnologie de proces a Intel permite industriei să continue să evolueze în conformitate cu Legea lui Moore, crescând performanța procesorului din nou și din nou.