Сергей КРУШНЕВИЧ

Каждый, кто хоть раз забирался во внутренности сложного электронного прибора, замечал маленькие (и не оченьJ) микросхемы  и задавал вопрос, ”а что там внутри, и как они работают?”. В этой статье я хочу познакомить читателей с технологией производства полупроводниковых интегральных микросхем.

Немного теории

В процессе развития электроники непрерывно усложнялось оборудование – увеличивалось количество отдельных (дискретных) элементов, в результате чего увеличивались габариты и масса конечного изделия и как следствие уменьшалась надежность оборудования. Это привело к появлению пленочных, а чуть позже – гибридных микросхем.

Физически гибридная микросхема представляет собой диэлектрическую (непроводящую ток) подложку, на которой нанесены тонкопленочные (толщина пленки меньше 10 мкм) или толстопленочные элементы (резисторы, конденсаторы, индуктивности и т.д.) и навесные (прикрепленные к подложке) элементы. Элементы гибридных микросхем можно встретить на материнской плате – это SMD компоненты.

Следующим скачком в развитии микроэлектроники стало появление полупроводниковых микросхем, которые практически вытеснили гибридные микросхемы из серийного производства. Основными преимуществами полупроводниковых микросхем есть степень интеграции (количество элементов на единицу площади кристалла), которая на несколько порядков выше, чем у гибридных микросхем, меньшая себестоимость конечной микросхемы (хорошо, что Intel выпускает полупроводниковые процессорыJ) и на несколько порядков выше надежность (минимум внешних соединений). К сожалению, из-за значительных паразитных емкостей (я не ругаюсь - это технический терминJ) полупроводниковые микросхемы имеют значительно более низкие предельные рабочие частоты, по сравнению с гибридными.

Все полупроводниковые микросхемы изготавливаются по планарной технологии – все выводы и p-n-переходы выходят на одну сторону. Основным недостатком этой технологии является малая плотность упаковки элементов в единице объема, так как все элементы сформированы в приповерхностном шаре толщиной всего 1-2 мкм, тогда как толщина подложки 200-500 мкм. Но с этим пока приходится мириться.

Чтобы получить законченную микросхему необходимо пройти довольно много этапов: получение и очистка полупроводниковых подложек, получение структур (транзисторов, резисторов, проводников и т.д.), резка на кристаллы, контроль качества, сборка.

Получение слитка

Основным сырьем для полупроводниковых микросхем на основе кремния (Si) служит один из самых распространенных на нашей планете соединений – оксид кремния SiO₂ (в народе его прозвали песокJ). В современной химической номенклатуре кремний называется силициум (за бугром его еще иногда называют силиконом).

Песок промывают, очищают от всевозможных примесей и с помощью реакций восстановления (не буду вдаваться в химические подробностиJ) получают  кристаллический кремний, который закрепляют в устройстве безтигельной плавки и проводят окончательную очистку. Этот процесс очистки выполняют следующим образом: на небольшой части слитка создается расплавленная зона (температура плавления кремния 1414ºС), которую при помощи перемещения нагревательного элемента (лазер, высокочастотный индуктор...), перемещают вдоль слитка. В результате разности температур кристаллизации кремния и примесей, последние перемещаются вместе с расплавленной зоной в конец слитка. После 10-20 проходов процесс завершают и отрезают конец слитка с примесями.

Для получения монокристаллического слитка (во всем объеме сохраняется кристаллическая решетка одного типа) к одному концу слитка подносят затравку (кусок материала с кристаллической решеткой, которую необходимо получит в конечном слитке) и место соприкосновения расплавляют. После чего, вращая штоки в разные стороны, нагреватель медленно перемещают к другому концу слитка.

Так как при высокой температуре чистый кремний химически активный, то эти операции проводят в высоком вакууме - давление в камере меньше 0.0001 Па (напомню, нормальное атмосферное давление 101325 Па).

Сейчас на производстве “выращивают” слитки диаметром 300 мм, хотя довольно часто еще используют 100 мм слитки.

Получение подложек

Полученные слитки специальными методами ориентируют в пространстве для получения пластин с определенным направлением кристаллической решетки. Далее слиток разрезают на отдельные пластины толщиной 0.2-0.3 мм. Для этого могут использоваться как “классические” методы (резка диском с внутренней режущей кромкой) так и новые (ультразвуковая резка, лазерная резка или другие виды). Резка слитков весьма непростая задача при твердости кремния 7 (по шкале Мооса наибольшая твердость 10 – у алмаза).

При резке “классическими” методами до 60% слитка срезается режущим инструментом. В качестве режущей кромки чаще всего используется алмазный абразив, реже карбид бора.

Шлифовку полученных пластин выполняют свободным или связанным абразивом с размерами зерен от 120 до 50 мкм. В результате получается пластина с микронеровностю (R_A) 0.32-0.04 мкм (9-12 класс чистоты). С помощью полировки микронеровность доводят до значения менее 0.01 мкм (14й класс чистоты – почти как зеркалоJ). В качестве полировального вещества используют пасты и порошки (размер зерен меньше 0.2-0.4 мм). Если необходима более гладкая поверхность – проводят химическое травление.

Полученная пластина представляет собой основу для получения структур и носит гордое название – подложка.

Продолжение тута J>>>; 

Использование материала без разрешения автора ЗАПРЕЩЕННО!