Plan teknologi

Planar teknologi  er et sæt af teknologiske operationer, der bruges til fremstilling af plane (flade, overflade) halvlederenheder og integrerede kredsløb . Processen involverer dannelse af individuelle transistorkomponenter såvel som at kombinere dem til en enkelt struktur. Dette er hovedprocessen i skabelsen af ​​moderne integrerede kredsløb . Denne teknologi er udviklet af Jean Herni, et af medlemmerne af Treacherous Eight , mens han arbejdede hos Fairchild Semiconductor . Teknologien blev første gang patenteret i 1959 .

Essensen af ​​konceptet var at overveje skemaet i en projektion på et plan, hvilket gjorde det muligt at bruge fotografiske elementer , såsom negative fotografiske film, når lysfølsomme reagenser blev belyst. Sekvensen af ​​sådanne fotoprojektioner gjorde det muligt at skabe kombinationer af siliciumdioxid (dielektrisk) og doterede områder (ledere) på et siliciumsubstrat. Anvender også metallisering (til at forbinde kredsløbselementer) og konceptet med at isolere kredsløbselementer med pn-forbindelserforeslået af Kurt Lehovec , var forskere ved Fairchild i stand til at skabe et kredsløb på en enkelt siliciumwafer ("wafer") lavet af en enkeltkrystal siliciumbarre ("boule").

Processen omfatter også silicium (SiO 2 ) oxidation, ætsning og diffusionsoperationer.

Teknologiprincipper

Ved input af teknologien er plader kaldet substrater . Substratmaterialesammensætning, krystalstruktur (op til interatomare afstande i substrater til moderne processorer) og krystallografisk orientering er strengt kontrolleret. I løbet af den teknologiske proces, i det overfladenære lag af et halvledermateriale, som er et substrat eller aflejret på et substrat, skabes områder med en anden type eller værdi af ledningsevne, som i sidste ende bestemmes af en anden koncentration af donor og acceptorurenheder, såvel som lagmaterialet. Ovenpå laget af halvledermateriale, ved hjælp af mellemlag af dielektrisk materiale på de rigtige steder, påføres lag af ledende materiale for at danne kontaktpuderne og de nødvendige forbindelser mellem områderne. Områderne og lagene af en leder, halvleder og dielektrikum danner sammen strukturen af ​​en halvlederenhed eller et integreret kredsløb.

Et træk ved den plane teknologi er, at efter afslutningen af ​​hver teknologisk operation genoprettes den flade (plane) form af pladeoverfladen, hvilket gør det muligt at skabe en ret kompleks struktur ved hjælp af et begrænset sæt teknologiske operationer.

Planar teknologi gør det muligt samtidig at fremstille et stort antal diskrete halvlederenheder eller integrerede kredsløb i en enkelt teknologisk proces på et enkelt substrat, hvilket kan reducere deres omkostninger betydeligt. Også i tilfælde af fremstilling af identiske enheder på en plade, viser parametrene for alle enheder sig at være tætte. Begrænseren er kun arealet af substratet; derfor har substraternes diameter en tendens til at blive øget, efterhånden som teknologierne til produktion af substrater udvikler sig.

For at kontrollere kvaliteten af ​​at udføre mellemliggende operationer på underlaget skelnes der som regel adskillige små områder (normalt i midten og i periferien), hvorpå der testes ledende spor og elementære enheder (kondensatorer, dioder, transistorer osv.) dannes under den standardteknologiske proces. ). I de samme områder er der dannet kontaktpuder med et relativt stort område for at teste pladernes egnethed før indridsning (adskillelse i separate enheder) . For at kombinere billeder under fotolitografi dannes der også justeringsmærker i et specielt udvalgt område, svarende til dem, der kan findes på flerfarvede trykte produkter.

Grundlæggende teknologiske operationer

Litografi

De vigtigste teknologiske trin, der bruges i planteknologi, er baseret på litografiprocessen (fotolitografi).
Følgende metoder gælder:

  1. optisk fotolitografi (standard), λ=310—450 nm ;
  2. ultraviolet fotolitografi på excimerlasere , λ=248 nm, λ=193 nm;
  3. fotolitografi i dyb ultraviolet , λ=10-100 nm;
  4. røntgenlitografi , X=0,1-10 nm;
  5. elektronisk litografi ;
  6. ionstrålelitografi ;
  7. nanoprint litografi .

Metoderne til anvendt fotolitografi kan være scanning og projektion; kontakt, ikke-kontakt og mikrogap (se også immersionslitografi ). Metoden med strålingsstimuleret diffusion kan også anvendes i begrænset omfang.

Litografisk udstyr

EUV litografimaskiner fra det hollandske firma ASML er kernen i moderne spånproduktion.

Kæde af operationer

Den teknologiske kæde består af en række cyklusser (op til flere dusin), herunder følgende hovedoperationer (i rækkefølge):

De vigtigste cyklusser, der udføres ved oprettelse af halvlederenheder, er som følger:

Ordninger med vekslende operationer og cyklusser er ret komplekse, og deres antal kan måles i snesevis. Så for eksempel ved oprettelse af mikrokredsløb på bipolære transistorer med kollektorisolering, med kombineret isolering (isoplanar-1,2; polyplanar) og i andre kredsløb, hvor det er nødvendigt eller ønskeligt at reducere kollektormodstanden og øge hastigheden), oxidation, fotolitografi og diffusion under det nedgravede n+ lag, så opbygges halvlederens epitaksiale lag ("begravelse"), og specifikke elementer af mikrokredsløbet skabes allerede i epitaksiallaget. Derefter isoleres pladens overflade igen, kontaktvinduer laves, og ledende spor og puder påføres. I komplekse mikrokredsløb kan der laves kontaktspor i flere niveauer med påføring af dielektriske lag mellem niveauerne, igen med ætsede vinduer.

Rækkefølgen af ​​cyklusser er primært bestemt af afhængigheden af ​​diffusionskoefficienterne for urenheder af temperaturen. De forsøger først at drive og destillere mindre mobile urenheder, og for at reducere procestiden bruger de højere temperaturer. Så ved lavere temperaturer drives og spredes mere mobile urenheder. Dette skyldes det hurtige (eksponentielle) fald i diffusionskoefficienten med faldende temperatur. For eksempel, i silicium, først, ved temperaturer op til ~950 °C, skabes p-type områder doteret med bor, og først derefter, ved temperaturer under ~750 °C, skabes n-type områder doteret med fosfor. I tilfælde af andre legeringselementer og/eller andre matricer kan temperaturklassificeringerne og proceduren for oprettelse af de legerede områder være anderledes, men prøv altid at følge reglen om "lavere grad". Sporoprettelse udføres altid i de sidste sløjfer.

Ud over diffusionsdoping og spredning kan metoder til strålingstransmutation af silicium til aluminium og fosfor anvendes. Samtidig beskadiger gennemtrængende stråling, ud over at udløse transmutationsreaktioner, substratets krystalgitter betydeligt. Legeringen af ​​pladen går over hele området og gennem hele materialets volumen, fordelingen af ​​de resulterende urenheder bestemmes af intensiteten af ​​strålingen, der trænger ind i stoffets tykkelse og overholder derfor Bouguer-Lambert-loven :

N= N0 *e -ax , hvor N er urenhedskoncentrationen;

N 0  er urenhedskoncentrationen på overfladen; a er strålingsabsorptionskoefficienten; x er afstanden fra den bestrålede overflade;

Siliciumbarrer, der ikke var skåret i wafers, blev normalt brugt til legering. I dette tilfælde beskrives urenhedsfordelingsprofilen over waferdiameteren ved transponering af eksponenter med et maksimum ved waferperiferien og minima ved waferens centrum. Denne metode har begrænset anvendelse til fremstilling af specielle siliciumenheder med høj modstand.

Afsluttende operationer i produktionen af ​​mikrokredsløb

Skriver

Efter afslutning af operationer til dannelse af indretninger på waferen opdeles waferen i små krystaller indeholdende en enkelt færdig indretning.

Indledningsvis blev adskillelsen af ​​pladen i individuelle krystaller udført ved at ridse den til en dybde på 2/3 af pladens tykkelse med en diamantskærer, efterfulgt af spaltning langs den ridsede linje. Dette adskillelsesprincip gav navnet til hele operationen med at opdele wafers i krystaller: "scribing" (fra den engelske skribent  - "mark").

I øjeblikket kan indridsning udføres både med skæring til pladens fulde tykkelse med dannelse af individuelle krystaller, og for en del af pladens tykkelse, efterfulgt af spaltning i krystaller.

Skrivning med en vis strækning kan tilskrives de sidste stadier af planteknologi.

Skæring kan udføres på forskellige måder:

  1. Ritning med en diamantskærer er ridsning af en plade langs en af ​​de krystallografiske akser for efterfølgende at bryde langs risiciene, svarende til hvordan de fungerer, når man skærer glas. Så på siliciumsubstrater opnås fejl bedst langs spaltningsplaner . På nuværende tidspunkt er metoden forældet og praktisk talt ikke brugt;
  2. Spaltning ved lokalt termisk chok (lidt brugt);
  3. Skæring med en hulsav med en udvendig skærkant: installationen ligner installationen til at skære barren i plader, men bladets diameter er meget mindre, og skæret stikker ikke mere end halvanden dybde ud fra klemmerne af mærket. Dette minimerer slaget og giver dig mulighed for at øge hastigheden til 20-50 tusinde omdrejninger i minuttet. Nogle gange sættes flere skiver på akslen for at skabe flere risici på samme tid. Metoden gør det muligt at skære gennem hele pladens tykkelse, men bruges normalt til ridser efterfulgt af opdeling.
  4. Kemisk påskæring er at skrive ved gennem kemisk ætsning. For at udføre operationen laves der foreløbigt fotolitografi med dannelse af vinduer i skillesektionerne på begge sider af pladen, og opdelingsområderne ætses. En variation af denne metode er ende-til-ende anisotropisk ætsning, hvor forskellen i ætsningshastighed i forskellige retninger af de krystallografiske akser anvendes. De vigtigste ulemper, der begrænser anvendelsen af ​​metoden, er vanskeligheden ved at matche mønsteret af vinduer til ætsning af begge sider af pladen og den laterale ætsning af krystaller under masken. Metoden tillader både at ætse pladen for en del af tykkelsen, og for hele tykkelsen.
  5. Skæring med stålklinger eller tråde - knivene eller tråden gnider mod pladerne, en slibende opslæmning påføres kontaktpunktet. Der er risiko for beskadigelse af de færdige strukturer af et knækket lærred eller wire. Udsving i sammensætningen af ​​suspensionen, mekaniske forvrængninger i udstyret kan også føre til defekter. Metoden blev brugt i mindre produktion og laboratorier. Metoden gør det muligt at skære gennem hele pladens tykkelse, men bruges normalt til ridser efterfulgt af opdeling.
  6. Skæring med en laserstråle : dannelsen af ​​ridser opstår som et resultat af fordampningen af ​​substratmaterialet af en fokuseret laserstråle. Anvendelsen af ​​metoden er begrænset af pladernes tykkelse, og da en større diameter af pladerne kræver en større tykkelse for at opretholde den nødvendige stivhed, anvendes gennemadskillelse ikke altid (mindre end 100 mikron - skæring er mulig, fra 100 til 450 mikron - kun skrift). Med en gennemgående adskillelse er efterfølgende brud af pladen til krystaller ikke påkrævet. Det anbefales ikke at bruge denne metode til at skære plader indeholdende galliumarsenid på grund af frigivelsen af ​​meget giftige forbindelser. I USSR blev lasere lavet af yttrium aluminium granat og rubin hovedsageligt brugt til denne metode. Hovedproblemet ved brug af skæring med en laserstråle er beskyttelsen af ​​færdige strukturer mod dråber af smeltet og kondensering af det fordampede substratmateriale på dem. En original måde at løse dette problem på er at bruge en tynd ledning af vand, der tilføres under højt tryk , som fokuseringslysleder og samtidig som kølemiddel til laserskæring.

Efter gennemskæring af ridserne deles pladerne i krystaller. Der er tre hovedmetoder:

  1. Fjederbelastet rullemetode: pladen anbringes i en plastikpose og placeres på en tyk elastisk gummibase med mærkerne nedad, og operatøren ruller langs mærkerne med en fjederbelastet rulle. Kvaliteten af ​​brud afhænger af, hvor langt retningen af ​​rullens bevægelse er parallel med risikoen; i tilfælde af afvigelse er spaltning ikke mulig i henhold til risici og beskadigelse af krystallerne.
  2. Brækker på en halvkugle: pladerne er krympet med en elastisk membran over en sfærisk overflade. Membranen presses enten hydraulisk eller med trykluft. Ved adskillelse af plader med en diameter på mere end 76 mm på denne måde, stiger procentdelen af ​​afslag kraftigt.
  3. Rulning mellem to cylindriske ruller. Pladen på det klæbende bærebånd komprimeres af en stål- og gummirulle, som roterer, som følge af deformation af den elastiske gummirulle, påføres en bøjningskraft på pladen.

Fastgøring af krystallerne til kabinettet

Efter indskrivning fastgøres krystallerne til bunden af ​​etuiet:

  1. ved limning - der bruges klæbemidler baseret på epoxyharpiks, nedbrydes over tid: det leder varme dårligere, bliver skørt, forbindelsen bliver skrøbelig. Denne metode bruges i øjeblikket ikke.
  2. eutektisk fusionsmetode : et tyndt lag guld påføres på den keramiske bund af kabinettet og på bagsiden af ​​pladen før adskillelse i krystaller. Guldfolie anbringes ved krystalfastgørelsespunktet, krystallen anbringes på bunden af ​​kabinettet, opvarmes til 380 ° (den eutektiske temperatur af silicium-guld-systemet er 385 °), og en lodret kraft påføres. De høje omkostninger gør det muligt kun at bruge metoden til specielle formål.
  3. når de er forseglet med plast, anbringes krystaller med svejset forstærkning på et bærebånd.
  4. forbindelse med glas - på grund af vanskeligheden ved at vælge glas med en lav blødgøringstemperatur og en termisk lineær ekspansionskoefficient svarende til de anvendte materialer, er denne metode af ringe nytte for tyndfilmsteknologi (velegnet til hybrid- og tykfilms integrerede kredsløb )
  5. flip-chip metode - ved brug af bulk ledninger er både krystallen og alle ledninger forbundet på samme tid.

Fastgøring af ledninger til en chip

benforbindelsesmetoder:

  1. termokompressionssvejsning
  2. ultralydssvejsning
  3. indirekte pulserende opvarmning
  4. dobbeltelektrodesvejsning
  5. laserpunktsvejsning
  6. elektronstrålesvejsning
  7. trådløs montering af elementer med volumenledninger

Krystalforsegling

tætningsmetoder - valget af metode afhænger af husets materiale og form. Etuier er hermetiske (metal-glas, metal-keramik, keramik, glas) og ikke-hermetiske (plastik, keramik). Svejsning: kold svejsning; elektrokontaktsvejsning: kontur, rulle, mikroplasma, argonbue, laser, elektronstråle; Lodning: konvektiv i ovne, varmgasstråle; limning; plastforsegling.

Afprøvning

Under testning kontrolleres kvaliteten af ​​fastgørelsen af ​​ledningerne, såvel som modstanden af ​​enheder (undtagen for utætte) over for ekstreme klimatiske forhold på standen af ​​varme og fugt og mekanisk belastning på stød- og vibrationsstanderen, samt som deres elektriske egenskaber. Efter afprøvning males og mærkes instrumenterne.

Noter

  1. ↑ Hoerni, JA patent US3025589 Metode til fremstilling af halvlederenheder . - 1959.
  2. ↑ "Digitale integrerede kredsløb. Design Methodology."="Digital Integrated Circuits" 2. udgave, 2007 ISBN 978-5-8459-1116-2 side 75

Litteratur om emnet