Sík technológia

A síktechnológia a sík (sík, felületű) félvezető eszközök és integrált áramkörök  gyártásához használt technológiai műveletek összessége . A folyamat magában foglalja az egyes tranzisztor -alkatrészek kialakítását , valamint azok egyetlen szerkezetté való egyesítését. Ez a fő folyamat a modern integrált áramkörök létrehozásában . Ezt a technológiát Jean Herni fejlesztette ki, a Treacherous Eight egyik tagja , miközben a Fairchild Semiconductornál dolgozott . A technológiát először 1959 -ben szabadalmazták .

Az elgondolás lényege az volt, hogy a sémát síkra vetítésben vették figyelembe, ami lehetővé tette a fényképészeti elemek , például negatív fotófilmek használatát fényérzékeny reagensek megvilágításakor. Az ilyen fényvetítések sorrendje lehetővé tette szilícium-dioxid (dielektrikum) és adalékolt régiók (vezetők) kombinációinak létrehozását szilícium hordozón. A fémezés alkalmazása (áramköri elemek összekötésére) és a pn átmenetes áramköri elemek leválasztásának koncepciójaKurt Lehovec javaslata alapján a Fairchild kutatói képesek voltak egyetlen szilíciumlapkán ("ostyán") létrehozni egy áramkört, amely egy egykristályos szilíciumöntvényből ("boule") készült.

Az eljárás magában foglalja a szilícium (SiO 2 ) oxidációs, maratási és diffúziós műveleteket is.

Technológiai alapelvek

A technológia bemenetén lemezek, úgynevezett szubsztrátumok találhatók . Szigorúan ellenőrzik a szubsztrátum anyagösszetételét, a kristályszerkezetet (a modern processzorok hordozóiban lévő atomok közötti távolságig) és a krisztallográfiai orientációt. A technológiai folyamat során egy hordozónak minősülő vagy hordozóra lerakódott félvezető anyag felszínközeli rétegében eltérő típusú vagy értékű vezetőképességű régiók jönnek létre, amit végső soron a donor eltérő koncentrációja határoz meg. és akceptor szennyeződéseket, valamint a réteganyagot. A félvezető anyag réteg tetejére a megfelelő helyeken dielektromos anyag közbenső rétegek felhasználásával vezetőképes anyagrétegeket visznek fel, hogy kialakítsák az érintkezési felületeket és a szükséges kapcsolatokat a területek között. A vezető, a félvezető és a dielektrikum régiói és rétegei együtt alkotják a félvezető eszköz vagy egy integrált áramkör szerkezetét.

A síktechnológia sajátossága, hogy az egyes technológiai műveletek elvégzése után a lemezfelület sík (sík) alakja visszaáll, ami lehetővé teszi egy meglehetősen összetett szerkezet kialakítását a technológiai műveletek véges halmazával.

A síktechnológia lehetővé teszi, hogy egyetlen technológiai folyamatban egyidejűleg nagyszámú diszkrét félvezető eszközt vagy integrált áramkört lehessen gyártani egyetlen hordozón, ami jelentősen csökkentheti azok költségeit. Azonos eszközök egy lemezen történő gyártása esetén az összes eszköz paraméterei közelinek bizonyulnak. A limiter csak az aljzat területe, ezért a hordozók előállítási technológiáinak fejlődésével a hordozók átmérője hajlamos növekedni.

A hordozón végzett közbenső műveletek minőségének ellenőrzésére általában több kis területet különböztetnek meg (általában a központban és a periférián), amelyeken a vezető pályákat és az elemi eszközöket (kondenzátorok, diódák, tranzisztorok stb.) tesztelik. a szabványos technológiai folyamat során jönnek létre. ). Ugyanezen területeken viszonylag nagy felületű érintkezőbetéteket alakítanak ki, hogy a lemezek alkalmasságát ellenőrizzék a beírás előtt (különálló eszközökre való szétválasztás) . A képek kombinálásához a fotolitográfia során egy speciálisan kiválasztott területen igazítási jeleket is kialakítanak, hasonlóan a többszínű nyomdatermékeken találhatóakhoz.

Technológiai alapműveletek

Litográfia

A síktechnológiában alkalmazott főbb technológiai lépések a litográfia (fotolitográfia) folyamatán alapulnak .
A következő módszerek érvényesek:

  1. optikai fotolitográfia (standard), λ=310-450 nm ;
  2. ultraibolya fotolitográfia excimer lézeren , λ=248 nm, λ=193 nm;
  3. fotolitográfia mély ultraibolya fényben , λ=10-100 nm;
  4. röntgensugaras litográfia , λ=0,1-10 nm;
  5. elektronikus litográfia ;
  6. ionsugaras litográfia ;
  7. nanoprint litográfia .

Az alkalmazott fotolitográfia módszerei lehetnek a szkennelés és a vetítés; kontakt, nem érintkező és mikrorés (lásd még: immerziós litográfia ). A sugárzásstimulált diffúzió módszere is korlátozottan alkalmazható.

Litográfiai berendezések

A holland ASML cég EUV litográfiai gépei a modern chipgyártás középpontjában állnak.

Műveleti lánc

A technológiai lánc ciklusok sorozatából áll (legfeljebb több tucat), amely a következő fő műveleteket tartalmazza (sorrendben):

A félvezető eszközök létrehozásakor végrehajtott fő ciklusok a következők:

A műveletek és ciklusok váltakozási sémája meglehetősen bonyolult, számuk tucatokban mérhető. Így például mikroáramkörök létrehozásakor bipoláris tranzisztorokon kollektorszigeteléssel, kombinált szigeteléssel (izoplanáris-1,2; poliplanáris) és más áramkörökben, ahol szükséges vagy kívánatos a kollektor ellenállásának csökkentése és a sebesség növelése), oxidáció, fotolitográfia és diffúzió az eltemetett n+ réteg alatt, majd felépül a félvezető epitaxiális rétege („burial”), és már az epitaxiális rétegben létrejönnek a mikroáramkör sajátos elemei. Ezt követően a lemez felületét ismét leválasztják, érintkező ablakokat készítenek, és vezető pályákat és alátéteket alkalmaznak. Összetett mikroáramkörökben a szintek közötti dielektromos rétegek felvitelével érintkező pályák több szinten is készíthetők, ismét maratott ablakokkal.

A ciklusok sorrendjét elsősorban a szennyeződések diffúziós együtthatóinak hőmérséklettől való függése határozza meg. Igyekeznek először kevésbé mozgékony szennyeződéseket hajtani és desztillálni, a folyamatidő csökkentésére pedig magasabb hőmérsékletet alkalmaznak. Ezután alacsonyabb hőmérsékleten több mozgékony szennyeződést hajtanak ki és diszpergálnak. Ennek oka a diffúziós együttható gyors (exponenciális) csökkenése a hőmérséklet csökkenésével. Például a szilíciumban először ~950 °C-ig a bórral adalékolt p-típusú régiók jönnek létre, majd ~750 °C alatti hőmérsékleten foszforral adalékolt n-típusú régiók jönnek létre. Más ötvözőelemek és/vagy egyéb mátrixok esetén a hőmérsékleti besorolások és az ötvözött tartományok létrehozásának eljárása eltérő lehet, de mindig próbálja meg követni az „alacsonyabb fokozat” szabályt. A szám létrehozása mindig az utolsó ciklusokban történik.

A diffúziós adalékolás és diszperzió mellett a szilícium alumíniummá és foszforrá történő sugárzásos transzmutációjának módszerei is alkalmazhatók. A behatoló sugárzás ugyanakkor amellett, hogy transzmutációs reakciókat vált ki, jelentősen károsítja a szubsztrát kristályrácsát. A lemez ötvözése a teljes felületen és az anyag teljes térfogatán áthalad, a keletkező szennyeződések eloszlását az anyag vastagságába behatoló sugárzás intenzitása határozza meg, ezért megfelel a Bouguer-Lambert törvénynek :

N=N 0 *e -ax , ahol N a szennyeződés koncentrációja;

N 0  a szennyeződés koncentrációja a felületen; a a sugárzáselnyelési együttható; x a távolság a besugárzott felülettől;

Az ötvözéshez általában nem ostyára vágott szilícium-ingot használtak. Ebben az esetben a szennyeződés eloszlási profilját az ostya átmérőjén a kitevők transzpozíciója írja le, ahol a maximum a lapka perifériáján és a minimumok a lapka középpontjában vannak. Ez a módszer korlátozottan alkalmazható speciális, nagy ellenállású szilícium eszközök előállítására.

Végső műveletek a mikroáramkörök előállításánál

Scribing

Az ostyán az eszközök kialakítására irányuló műveletek befejezése után az ostyát kis kristályokra osztják, amelyek egyetlen kész eszközt tartalmaznak.

Kezdetben a lemez különálló kristályokra való szétválasztása úgy történt, hogy gyémántvágóval a lemez vastagságának 2/3-a mélységig megkarcolták, majd a karcolt vonal mentén felhasították. Ez a szétválasztási elv adta az ostyák kristályokra osztásának egész műveletét: "scribing" (az angol script  - "jel" szóból).

Jelenleg a scribing mind a lemez teljes vastagságára történő vágással, egyedi kristályok képződésével, mind a lemez vastagságának egy részére, majd kristályokra bontással végezhető.

A síktechnológia utolsó szakaszaihoz köthető a némi nyújtással járó beírás.

A vágás többféle módon történhet:

  1. A gyémántvágóval végzett karcolás egy lemez karcolása az egyik krisztallográfiai tengely mentén, hogy később a kockázatok mentén eltörjön, hasonlóan ahhoz, ahogyan az üvegvágáskor működik. Tehát szilícium hordozókon a hibákat legjobban a hasítási síkok mentén lehet elérni . Jelenleg a módszer elavult és gyakorlatilag nem alkalmazzák;
  2. Helyi hősokk általi felosztás (keveset használt);
  3. Vágás külső vágóéles lyukfűrésszel : a beépítés hasonló a tuskó lemezekre vágásához, de a fűrészlap átmérője sokkal kisebb, és a vágóél legfeljebb másfél mélységgel nyúlik ki a bilincsekből a védjegyről. Ez minimalizálja az ütemet, és lehetővé teszi, hogy a sebességet 20-50 ezer fordulat / percre növelje. Előfordul, hogy több tárcsát helyeznek a tengelyre, hogy egyszerre több kockázatot okozzanak. A módszer lehetővé teszi a lemez teljes vastagságának átvágását, de általában karcolásra, majd hasításra használják.
  4. A kémiai írás a kémiai maratással történő írás. A művelet végrehajtásához előzetesen fotolitográfiát készítenek a lemez két oldalán lévő elválasztó szelvényekben ablakok kialakításával, és az elválasztó területeket maratják. Ennek a módszernek egy változata az end-to-end anizotróp maratás, ahol a maratási sebesség különbségét használják a krisztallográfiai tengelyek különböző irányaiban. A módszer alkalmazását korlátozó fő hátrányok az ablakok mintájának illesztésének nehézségei a lemez mindkét oldalának maratásához, valamint a kristályok oldalsó maratása a maszk alatt. A módszer lehetővé teszi a lemez maratását a vastagság egy részében és a teljes vastagságban.
  5. Vágás acélpengékkel vagy huzalokkal - a pengék vagy a huzal dörzsölődnek a lemezekhez, koptató iszapot visznek fel az érintkezési pontra. Fennáll a veszélye, hogy a kész szerkezetek megsérülnek egy törött vászon vagy huzal miatt. A felfüggesztés összetételének ingadozása, a berendezés mechanikai torzulása is hibákhoz vezethet. A módszert kisipari termelésben és laboratóriumokban alkalmazták. A módszer lehetővé teszi a lemez teljes vastagságának átvágását, de általában karcolásra, majd hasításra használják.
  6. Vágás lézersugárral : a karcolások a hordozóanyag fókuszált lézersugárral történő elpárolgása következtében alakulnak ki. A módszer alkalmazását korlátozza a lemezek vastagsága, és mivel a lemezek nagyobb átmérőjéhez nagyobb vastagság szükséges a szükséges merevség fenntartásához, nem mindig alkalmazzák az átmenő szétválasztást (100 mikronnál kisebb - vágás lehetséges, 100-tól 450 mikronig – csak feliratozás). Átmenő elválasztás esetén a lemez utólagos kristályokra törése nem szükséges. Nem ajánlott ezt a módszert gallium-arzenid tartalmú lemezek vágására használni, mert erősen mérgező vegyületek szabadulnak fel. A Szovjetunióban elsősorban ittrium-alumínium-gránátból és rubinból készült lézereket használtak ehhez a módszerhez. A lézersugárral történő vágás során a fő probléma a kész szerkezetek védelme az olvadékcseppektől és az elpárolgott hordozóanyag kondenzációjától. A probléma megoldásának eredeti módja egy vékony, nagy nyomás alatt szállított vízzsinór használata fókuszáló fényvezetőként és egyben hűtőfolyadékként a lézervágáshoz.

A karcolások átvágása után a lemezeket kristályokra osztják. Három fő módszer létezik:

  1. Rugós görgős módszer: a lemezt műanyag zacskóba helyezzük és vastag, rugalmas gumi alapra helyezzük a jelekkel lefelé, és a kezelő rugós hengerrel a jelek mentén gördül. A törés minősége attól függ, hogy a görgő mozgásának iránya mennyire párhuzamos a kockázatokkal, eltérés esetén a kockázatoknak és a kristályok károsodásának megfelelő hasadás nem lehetséges.
  2. Félgömbön történő törés: a lemezeket rugalmas membrán préseli egy gömbfelületre. A membránt hidraulikusan vagy sűrített levegővel préselik. A 76 mm-nél nagyobb átmérőjű lemezek ilyen módon történő leválasztásakor a selejt százaléka meredeken növekszik.
  3. Guruló két hengeres görgő között. Az öntapadó hordozószalagon lévő lemezt egy acél és gumi henger szorítja össze, amelyek forognak, a rugalmas gumihenger deformációja következtében a lemezre hajlítóerő hat.

A kristályok rögzítése a tokhoz

A felírás után a kristályokat a tok aljára rögzítik:

  1. ragasztással - epoxigyanta alapú ragasztókat használnak, idővel lebomlik: rosszabbul vezeti a hőt, törékennyé válik, a csatlakozás törékennyé válik. Ez a módszer jelenleg nem használatos.
  2. eutektikus fúziós módszer : vékony aranyréteget visznek fel a tok kerámia alapjára és a lemez hátoldalára, mielőtt kristályokra bontják. Aranyfóliát helyeznek a kristály rögzítési pontjára, a kristályt a tok aljára helyezik, 380 °-ra melegítik (a szilícium-arany rendszer eutektikus hőmérséklete 385 °), és függőleges erőt alkalmaznak. A magas költségek lehetővé teszik, hogy a módszert csak speciális célokra használják.
  3. műanyaggal lezárva a hegesztett megerősítésű kristályokat hordozószalagra helyezik.
  4. üvegekkel való kapcsolat - az alacsony lágyulási hőmérsékletű és a felhasznált anyagoknak megfelelő lineáris tágulási együtthatójú üveg kiválasztásának nehézsége miatt ez a módszer kevéssé használható vékonyréteg-technológiához (hibrid és vastagfilm integrált áramkörökhöz is alkalmas) )
  5. flip-chip módszer - ömlesztett vezetékek használatakor a kristály és az összes vezeték egyszerre csatlakozik.

Vezetékek rögzítése chiphez

tűs csatlakozási módok:

  1. hőkompressziós hegesztés
  2. ultrahangos hegesztés
  3. indirekt impulzusfűtés
  4. kételektródos hegesztés
  5. lézeres ponthegesztés
  6. elektronsugaras hegesztés
  7. elemek vezeték nélküli rögzítése hangerővezetékekkel

Kristálytömítés

tömítési módszerek - a módszer kiválasztása a ház anyagától és alakjától függ. A tokok hermetikusak (fém-üveg, fémkerámia, kerámia, üveg) és nem hermetikusak (műanyag, kerámia). Hegesztés: hideghegesztés; elektrokontakt hegesztés: kontúr, henger, mikroplazma, argon-ív, lézer, elektronsugár; Forrasztás: kemencékben konvektív, forró gázsugár; ragasztás; műanyag tömítés.

Tesztelés

A tesztelés során ellenőrzik a vezetékek rögzítésének minőségét, valamint a készülékek (kivéve a szivárgókat) szélsőséges éghajlati viszonyokkal szembeni ellenállását az állványon a hő és nedvesség, valamint a mechanikai igénybevétel mellett az ütési és vibrációs állványon, valamint mint elektromos tulajdonságaik. A tesztelés után a műszereket festjük és jelöljük.

Jegyzetek

  1. ↑ Hoerni, JA US3025589 számú szabadalom Félvezető eszközök gyártási módszere . – 1959.
  2. ↑ "Digitális integrált áramkörök. Tervezési módszertan.” „Digitális integrált áramkörök” 2. kiadás, 2007 ISBN 978-5-8459-1116-2 , 75. oldal

Irodalom a témában