Planární technologie

Planární technologie  je soubor technologických operací používaných při výrobě planárních (plochých, povrchových) polovodičových součástek a integrovaných obvodů . Proces zahrnuje vytváření jednotlivých tranzistorových komponent a také jejich kombinování do jediné struktury. Toto je hlavní proces při vytváření moderních integrovaných obvodů . Tuto technologii vyvinul Jean Herni, jeden z členů zrádné osmičky , při práci ve Fairchild Semiconductor . Technologie byla poprvé patentována v roce 1959 .

Podstatou konceptu bylo uvažovat o schématu v projekci na rovinu, což umožnilo použití fotografických prvků , jako jsou negativní fotografické filmy, při osvětlování světlocitlivých činidel. Sekvence takových fotoprojekcí umožnila vytvořit kombinace oxidu křemičitého (dielektrikum) a dotovaných oblastí (vodiče) na křemíkovém substrátu. Uplatnění také metalizace (pro spojení obvodových prvků) a koncepce oddělování obvodových prvků s pn přechodynavržený Kurtem Lehovcem byli výzkumníci z Fairchildu schopni vytvořit obvod na jediném křemíkovém plátku ("wafer") vyrobeném z monokrystalického křemíkového ingotu ("boule").

Proces také zahrnuje operace oxidace, leptání a difúze křemíku (SiO 2 ).

Principy technologie

Vstupem technologie jsou desky zvané substráty . Materiálové složení substrátu, krystalová struktura (až meziatomové vzdálenosti v substrátech pro moderní procesory) a krystalografická orientace jsou přísně kontrolovány. V průběhu technologického procesu se v připovrchové vrstvě polovodičového materiálu, který je substrátem nebo na substrátu nanáší, vytvářejí oblasti s jiným typem nebo hodnotou vodivosti, která je v konečném důsledku dána odlišnou koncentrací donoru. a akceptorové nečistoty, stejně jako materiál vrstvy. Na vršek vrstvy polovodičového materiálu se pomocí mezivrstev dielektrického materiálu na správných místech nanesou vrstvy vodivého materiálu, aby se vytvořily kontaktní podložky a nezbytná spojení mezi oblastmi. Oblasti a vrstvy vodiče, polovodiče a dielektrika společně tvoří strukturu polovodičového zařízení nebo integrovaného obvodu.

Charakteristickým rysem plošné technologie je, že po dokončení každé technologické operace je obnoven plochý (rovinný) tvar povrchu desky, což umožňuje vytvořit poměrně složitou strukturu pomocí konečného souboru technologických operací.

Planární technologie umožňuje současně vyrábět v jediném technologickém procesu obrovské množství diskrétních polovodičových součástek nebo integrovaných obvodů na jednom substrátu, což může výrazně snížit jejich cenu. Také v případě výroby identických zařízení na jedné desce se parametry všech zařízení ukazují jako blízké. Omezovačem je pouze plocha substrátu, proto má průměr substrátů tendenci se zvětšovat, jak se vyvíjejí technologie výroby substrátů.

Pro kontrolu kvality provádění mezioperačních operací na substrátu se zpravidla rozlišuje několik malých oblastí (obvykle ve středu a na okraji), na kterých se testují vodivé dráhy a elementární zařízení (kondenzátory, diody, tranzistory atd.) vznikají při standardním technologickém procesu. ). Ve stejných oblastech jsou vytvořeny kontaktní podložky o relativně velké ploše, aby se otestovala vhodnost destiček před rýsováním (separace do samostatných zařízení) . Pro kombinování obrázků během fotolitografie se ve speciálně vybrané oblasti také vytvářejí zarovnávací značky, podobné těm, které lze nalézt na vícebarevně tištěných produktech.

Základní technologické operace

Litografie

Hlavní technologické kroky používané v rovinné technologii jsou založeny na procesu litografie (fotolitografie).
Platí následující metody:

  1. optická fotolitografie (standard), λ=310—450 nm ;
  2. ultrafialová fotolitografie na excimerových laserech , λ=248 nm, λ=193 nm;
  3. fotolitografie v hlubokém ultrafialovém světle , λ=10-100 nm;
  4. rentgenová litografie , A=0,1-10 nm;
  5. elektronická litografie ;
  6. iontová litografie ;
  7. nanotisková litografie .

Metodami aplikované fotolitografie může být skenování a projekce; kontaktní, bezkontaktní a mikromezera (viz též ponorná litografie ). V omezené míře lze aplikovat i metodu radiačně stimulované difúze.

Litografické vybavení

Litografické stroje EUV od holandské společnosti ASML jsou srdcem moderní výroby čipů.

Řetězec operací

Technologický řetězec se skládá ze série cyklů (až několik desítek), včetně následujících hlavních operací (v pořadí):

Hlavní cykly prováděné při vytváření polovodičových součástek jsou následující:

Schémata střídání operací a cyklů jsou poměrně složitá a jejich počet lze měřit v desítkách. Takže například při vytváření mikroobvodů na bipolárních tranzistorech s izolací kolektoru, s kombinovanou izolací (izoplanární-1,2; polyplanární) a v jiných obvodech, kde je nutné nebo žádoucí snížit odpor kolektoru a zvýšit rychlost), oxidace, fotolitografie a difúze pod zasypanou n+ vrstvou, následně se vybuduje epitaxní vrstva polovodiče („pohřeb“) a specifické prvky mikroobvodu se vytvoří již v epitaxní vrstvě. Poté se povrch desky opět izoluje, vytvoří se kontaktní okénka a nanesou se vodivé dráhy a podložky. U složitých mikroobvodů lze vytvořit kontaktní dráhy v několika úrovních s aplikací dielektrických vrstev mezi úrovněmi, opět s leptanými okénky.

Pořadí cyklů je primárně určeno závislostmi difúzních koeficientů nečistot na teplotě. Snaží se nejprve pohánět a destilovat méně pohyblivé nečistoty a pro zkrácení doby procesu používat vyšší teploty. Potom se při nižších teplotách pohání a rozptyluje více mobilních nečistot. To je způsobeno rychlým (exponenciálním) poklesem difúzního koeficientu s klesající teplotou. Například v křemíku se nejprve při teplotách do ~950 °C vytvoří oblasti typu p dotované borem a teprve poté se při teplotách pod ~750 °C vytvoří oblasti typu n dotované fosforem. V případě jiných legujících prvků a/nebo jiných matric se teplotní hodnocení a postup vytváření legovaných oblastí mohou lišit, vždy se však snažte řídit pravidlem „nižšího stupně“. Tvorba stopy se vždy provádí v závěrečných smyčkách.

Kromě difuzního dopování a disperze lze použít metody radiační transmutace křemíku na hliník a fosfor. Pronikající záření přitom kromě spouštění transmutačních reakcí výrazně poškozuje krystalovou mřížku substrátu. Legování desky probíhá po celé ploše a v celém objemu materiálu, rozložení vzniklých nečistot je dáno intenzitou záření pronikajícího do tloušťky látky a řídí se tedy Bouguer-Lambertovým zákonem :

N=N 0 *e -ax , kde N je koncentrace nečistot;

N 0  je koncentrace nečistot na povrchu; a je koeficient absorpce záření; x je vzdálenost od ozařovaného povrchu;

K dopingu se obvykle používaly křemíkové ingoty nerozřezané na plátky. V tomto případě je profil distribuce nečistot přes průměr destičky popsán transpozicí exponentů s maximem na okraji destičky a minimy ve středu destičky. Tato metoda má omezené použití pro výrobu speciálních vysoce odolných křemíkových zařízení.

Finální operace při výrobě mikroobvodů

Psaní

Po dokončení operací pro vytvoření zařízení na plátku se plátek rozdělí na malé krystaly obsahující jediné hotové zařízení.

Zpočátku byla separace destičky na jednotlivé krystaly prováděna škrábáním do hloubky 2/3 tloušťky destičky diamantovou frézou s následným štípáním podél škrábané linie. Tento princip separace dal název celé operaci dělení oplatků na krystaly: „rytí“ (z anglického scribe  – „značka“).

V současné době lze rytí provádět jak s řezáním na celou tloušťku desky s tvorbou jednotlivých krystalů, tak pro část tloušťky desky s následným dělením na krystaly.

Rýsování s určitým roztažením lze připsat konečným fázím planární technologie.

Řezání lze provádět různými způsoby:

  1. Rýhování diamantovou frézou je škrábání desky podél jedné z krystalografických os pro následné rozbití podél rizik, podobně jako fungují při řezání skla. Takže na křemíkových substrátech se chyby nejlépe získají podél rovin štěpení . V současnosti je metoda zastaralá a prakticky se nepoužívá;
  2. Štípání lokálním tepelným šokem (málo používané);
  3. Řezání děrovkou s vnějším řezným břitem: instalace je podobná instalaci pro řezání ingotů na desky, ale průměr kotouče je mnohem menší a řezná hrana vyčnívá ze svorek maximálně o jeden a půl hloubky značky. To minimalizuje tep a umožňuje zvýšit rychlost na 20-50 tisíc otáček za minutu. Někdy je na nápravu nasazeno několik kotoučů, aby se vytvořilo několik rizik současně. Metoda umožňuje proříznutí celé tloušťky desky, ale obvykle se používá pro škrábání s následným štípáním.
  4. Chemické rytí je rytí pomocí chemického leptání. Pro provedení operace se předběžně provádí fotolitografie s vytvořením okének v dělících úsecích na obou stranách desky a dělicí plochy jsou vyleptány. Variantou této metody je end-to-end anizotropní leptání, kde se využívá rozdílu v rychlosti leptání v různých směrech krystalografických os. Hlavní nevýhody, které omezují použití metody, jsou obtížnost přizpůsobení vzoru okének pro leptání obou stran desky a boční leptání krystalů pod maskou. Metoda umožňuje jak leptání desky pro část tloušťky, tak pro celou tloušťku.
  5. Řezání ocelovými čepelemi nebo dráty - čepele nebo drát se třou o desky, na místo kontaktu se nanáší brusná kaše. Hrozí poškození hotových konstrukcí přetrženým plátnem nebo drátem. Kolísání složení odpružení, mechanické deformace v zařízení mohou také vést k závadám. Metoda byla používána v malosériové výrobě a laboratořích. Metoda umožňuje proříznutí celé tloušťky desky, ale obvykle se používá pro škrábání s následným štípáním.
  6. Řezání laserovým paprskem : tvorba škrábanců nastává v důsledku odpařování materiálu substrátu zaostřeným laserovým paprskem. Aplikace metody je omezena tloušťkou desek, a protože větší průměr desek vyžaduje pro udržení požadované tuhosti větší tloušťku, není vždy použito průchozí oddělení (méně než 100 mikronů - řezání je možné, od 100 do 450 mikronů - pouze rytí). Při průchozí separaci není nutné následné rozbití desky na krystaly. Nedoporučuje se používat tuto metodu pro řezání desek obsahujících arsenid galia, z důvodu uvolňování vysoce toxických sloučenin. V SSSR se pro tuto metodu používaly hlavně lasery z yttria hliníkového granátu a rubínu. Hlavním problémem při použití řezání laserovým paprskem je ochrana hotových konstrukcí před kapkami roztaveného materiálu a kondenzací odpařeného materiálu substrátu na nich. Originálním způsobem, jak tento problém vyřešit, je použití tenkého provazce vody přiváděného pod vysokým tlakem jako zaostřovacího světlovodu a zároveň jako chladicí kapaliny pro laserové řezání.

Po proříznutí vrypů se destičky rozdělí na krystaly. Existují tři hlavní způsoby:

  1. Metoda odpruženého válečku: deska se vloží do plastového sáčku a položí se na silnou elastickou gumovou základnu značkami dolů a obsluha se odvaluje po značkách pomocí odpruženého válečku. Kvalita lomu závisí na tom, jak daleko je směr pohybu válečku rovnoběžný s riziky, v případě odchylky není štěpení možné podle rizik a poškození krystalů.
  2. Rozbití na polokouli: desky jsou na kulovém povrchu zvlněny elastickou membránou. Membrána je lisována buď hydraulicky nebo stlačeným vzduchem. Při oddělování desek o průměru větším než 76 mm tímto způsobem prudce narůstá procento zmetků.
  3. Válcování mezi dvěma válcovými válci. Deska na lepicí nosné pásce je stlačována ocelovým a pryžovým válečkem, které se otáčejí, v důsledku deformace elastického pryžového válečku působí na destičku ohybová síla.

Připevnění krystalů k pouzdru

Po narýsování jsou krystaly připevněny k základně pouzdra:

  1. lepením - používají se lepidla na bázi epoxidové pryskyřice, časem degraduje: hůře vede teplo, křehne, spoj se stává křehkým. Tato metoda se v současné době nepoužívá.
  2. metoda eutektické fúze : tenká vrstva zlata je nanesena na keramickou základnu pouzdra a na zadní stranu desky před rozdělením na krystaly. V místě uchycení krystalu se umístí zlatá fólie, krystal se položí na základnu pouzdra, zahřeje se na 380 ° (eutektická teplota systému křemík - zlato je 385 °) a působí se vertikální silou. Vysoká cena umožňuje použít metodu pouze pro speciální účelová schémata.
  3. při utěsnění plastem se krystaly s navařenou výztuží umístí na nosnou pásku.
  4. spojení se skly - vzhledem k obtížnosti výběru skla s nízkou teplotou měknutí a tepelným koeficientem lineární roztažnosti odpovídajícím použitým materiálům je tato metoda málo použitelná pro tenkovrstvou technologii (vhodná pro hybridní a tlustovrstvé integrované obvody )
  5. flip-chip metoda - při použití hromadných vývodů se současně zapojí krystal i všechny vývody.

Připojení vodičů k čipu

způsoby připojení pinů:

  1. termokompresní svařování
  2. ultrazvukové svařování
  3. nepřímé pulzní vytápění
  4. svařování dvojitou elektrodou
  5. laserové bodové svařování
  6. svařování elektronovým paprskem
  7. bezdrátová montáž prvků s objemovými přívody

Krystalové těsnění

způsoby těsnění - výběr způsobu závisí na materiálu a tvaru pouzdra. Pouzdra jsou hermetická (kov-sklo, kovokeramika, keramika, sklo) a nehermetická (plast, keramika). Svařování: svařování za studena; elektrokontaktní svařování: obrys, váleček, mikroplazma, argon-oblouk, laser, elektronový paprsek; Pájení: konvekční v pecích, horký plyn; lepení; plastové těsnění.

Testování

Při testování je kontrolována kvalita upevnění vývodů, odolnost zařízení (kromě netěsných) vůči extrémním klimatickým podmínkám na stojanu teplu a vlhkosti a mechanickému namáhání stojanu otřesy a vibracemi. jako jejich elektrické vlastnosti. Po otestování jsou nástroje natřeny a označeny.

Poznámky

  1. ↑ Hoerni, JA Patent US3025589 Způsob výroby polovodičových zařízení . — 1959.
  2. ↑ "Digitální integrované obvody. Metodika návrhu."="Digitální integrované obvody" 2. vydání, 2007 ISBN 978-5-8459-1116-2 strana 75

Literatura k tématu